lunes, 1 de septiembre de 2014

Apuntes del coche eléctrico. Otros componentes.

Apuntes del coche eléctrico. Otros componentes.
Por Beamspot

Quizás los tópicos más habituales de los vehículos eléctricos son el motor eléctrico propiamente dicho, así como las baterías, auténtico punto caliente cuando se habla de vehículos eléctricos, aunque hay muchos medios de transporte eléctricos que no utilizan baterías.
Sin embargo, hay muchos elementos más a tener en cuenta cuando uno habla de vehículos eléctricos. Algunos ya se han mencionado, otros son intuitivamente evidentes, otros sin embargo apenas se conocen o sólo se deja entrever su utilidad en esta serie de escritos.
Precisamente los elementos auxiliares y la electrónica interna del automóvil forman parte de la vida diaria del autor de estos soporíferos escritos, y no son escasos. Echarles una ojeada al menos da una idea de la complejidad del tema, así como algunos apuntes previos para la entrada posterior, que es precisamente uno de los puntos importantes y largamente olvidados en el asunto de estos textos, el de los fabricantes de automóviles.
El primer (o primeros, a veces son dos) componente que hay que mencionar, reiteradamente pues ya se ha explicado su uso, es el sistema de supervisión de la batería. Se suele componer de dos partes: la de control de carga y  balanceo de tensiones [1], medidas de temperatura y control individual de las células, y la parte de control y supervisión general con medida de corriente (que entra y sale), todo bajo un mismo sistema de gestión de la batería, con capacidad para cortar ambos polos de la misma del mundo exterior.
Se trata de un elemento electrónico no excesivamente complejo, con más o menos intríngulis (especialmente la medida de corriente), pero los algoritmos y las matemáticas que hay detrás, son las que determinan gran parte de las limitaciones del coche. Además, como ya se ha dicho, tiene un consumo que puede acabar por agotar las baterías al cabo de muchos meses, y parte de su funcionalidad, el balanceo de las celdas, provoca parte de las pérdidas de rendimiento del sistema de almacenamiento.
En la lista de puntos importantes de cara a la seguridad, lo primero que se pone bajo la lupa. El Know-How del mismo es considerado uno de los secretos más importantes en la industria del sector, una de las claves estratégicas. No sólo se  trata de carga y control de energía que entra y sale, también se controlan las temperaturas y otros parámetros de seguridad.
El segundo elemento en cuanto a importancia y evidencia, es el control de motor, el inverter [2]. Su función es la de generar tensiones alternas trifásicas a partir de la continua de la batería en la mayoría del tiempo, sin embargo, a la hora de frenar, su función es la inversa. Se trata de un elemento que requiere muchas matemáticas para su funcionamiento, con electrónica redundante, sistemas de seguridad, supervisión constante, y refrigeración líquida debido a la potencia que maneja con rendimientos, aunque elevados, por debajo del 98%. La termodinámica alcanza todas las áreas de la física, y éste es uno de los elementos que introduce pérdidas. No se trata de una parte barata, precisamente.
También en este caso, las matemáticas son un factor importante. No hay tanta guerra de copyrights, pues muchas se basan en la transformada de Park y su inversa, así como en la transformada de Clarke  [3]. Matemáticas puras y duras, ejecutadas varios miles de veces por segundo, lo cual implica millones de cálculos con sus decimales (en coma flotante) por segundo, y por partida doble: dado que es un elemento de seguridad, se calculan los valores en dos procesadores, y luego un sistema de supervisión comprueba que los dos den lo mismo para dar los datos (y por ende, el sistema) por bueno. Es lo que se llama redundancia. Para eso hace falta cierto tipo de microcontroladores específicos de seguridad [4].
El tercer elemento, es el cargador. De hecho, los cargadores, en plural. Aunque la mayor parte de esta circuitería es interna, es decir, va dentro del coche, también hay casos en los que una parte va fuera. Tampoco es un elemento sencillo, también es una parte refrigerada por líquido, y si son diferentes circuitos es debido a que no hay un estándar de carga, si no varios.
Dado que es otro elemento caro y sujeto a reglamentación por seguridad eléctrica, hay varios modos diferentes de carga.
Por una parte, está el enchufe ‘de casa’, lo cual es posiblemente la parte más pequeña del cargador, totalmente integrada dentro del coche, puesto que la limitación en este caso, es la del contrato del propietario, la responsable de una parte de cuota fija de las facturas de la electricidad. Lo habitual en un contrato en España está entre 3 y 5KW para el uso doméstico, y por tanto no tiene sentido poner un cargador de más capacidad para tales funciones. Esto genera una carga lenta o muy lenta, de varias horas, y por tanto, con pocas pérdidas. El nivel de seguridad es el habitual doméstico. Se le llama ‘Nivel 1’.
Sin embargo, si se pretende cargar el vehículo en unas instalaciones comerciales o industriales con potencias disponibles más elevadas, hace falta algo capaz de gestionar este tipo de cargas, sobre todo, si luego se va a facturar por ellas. Es entonces que salen unidades externas de carga. En realidad, tampoco son cargadores. Son gestores de potencia, para limitar la potencia entregada al vehículo en función de la potencia disponible. Por supuesto, están los que no tienen tarificación, para uso particular, y los que sí tienen, para uso comercial. Y nunca se incluye su precio en el vehículo.
Hay dos variantes aplicables a este tipo, la de Nivel 2, de hasta 16 A, y la de Nivel 3, hasta 32 A [5]. Muchas veces se agrupan bajo la denominación Nivel 2. Todas de alterna, y todas con el control en la unidad externa. La funcionalidad es simplemente la de monitorizar en todo momento la potencia disponible para adecuar el suministro a las capacidades de la instalación, y así evitar posibles sobrecargas. También pueden utilizarse para parkings públicos o compartidos para evitar que personas no autorizadas utilicen la toma para otros vehículos.
Estas unidades externas pueden ser de potencias relativamente modestas, del orden de los 5 a 19 KW, para cargas moderadas (del orden de dos a seis horas), que suelen trabajar con alterna, trifásica la mayoría de las veces, y la función real de la carga la hace un circuito interno del vehículo, y que para este orden de potencia, ya necesita refrigeración líquida, incurriendo en ciertas pérdidas mayores que en la carga lenta. A veces, este tipo de carga, también conlleva la activación del circuito de refrigeración de la batería, con lo que las pérdidas suben debido al uso del refrigerador.
Pero también hay unidades externas de potencias elevadas para recargas rápidas [6]. En estos casos, estos circuitos suministran potencias de más de 20KW, alcanzando los 62.5KW, en tensiones continuas de hasta 500V o más, con niveles de seguridad elevados, comunicación entre la unidad externa y la interna del vehículo, y otras capacidades, como el uso inverso: alimentar la red eléctrica a partir de la batería.
Este tipo de cargadores de Nivel 4 (aunque en la literatura se catalogan a veces como Nivel 3) son los encargados de las recargas rápida, y en realidad, el cargador está en la parte de fuera, con su propio sistema de refrigeración. En estos casos, además, también se activa el sistema de refrigeración de las baterías, pues para cargas rápidas es absolutamente necesario, aunque el vehículo se recargue a temperaturas bajo cero. Los rendimientos caen en picado en estas circunstancias, motivo por el cual hace falta refrigeración. Además, el estrés eléctrico de las baterías es elevado, acortando la vida útil de las mismas en caso de abuso de la recarga rápida, debido al calor generado, entre otros motivos de envejecimiento.
Para cada uno de los casos, hay diferentes estándares de conector. El último se ha tomado de la más avanzada infraestructura japonesa, y se llama CHAdeMO [7], aunque hay otras variantes, y no todos los fabricantes, como Tesla, se adhieren a este estándar de facto. De hecho, Tesla utiliza su propio estándar de hasta 120KW, ya que sus vehículos tienen autonomías más elevadas que el resto. Lo que está claro, es que hace falta un control de la carga por parte del vehículo en estas circunstancias, pues es la unidad de control y supervisión de la batería la que determina en todo momento la carga que ésta es capaz de aceptar.
Y eso implica un estándar de comunicación para que este cargador externo se adapte a las necesidades del coche y su batería en cada momento. Esta comunicación pasa invariablemente por añadir pines a un conector con grandes terminales de corriente, y algunos pequeños destinados a la comunicación. Así pues, con los estándares y protocolos de comunicación hemos topado.
Otro de los puntos poco vistos y habitualmente obviados muy intencionadamente de las discusiones sobre vehículos eléctricos, es toda la cacharrería auxiliar. Los coches modernos están rellenos de equipamiento como pavos el día de acción de gracias. Electrónica muy sofisticada para hacerlos más llamativos y añadir argumentos de venta, empezando por el obligatorio salpicadero, pasando por el infotainment, navegadores, Head Up Displays, ABS, elevalunas eléctrico, lunetas térmicas, climatización multizona, asientos eyectables, lanzadores de misiles y el supernecesario rayo láser. Y luces, muchas luces.
Todo este equipamiento va alimentado eléctricamente, por supuesto. Incluso dos elementos que en los coches térmicos no lo están, como son la dirección asistida (que las hay eléctricas en coches térmicos, nada nuevo), y el servofreno.
Casi todos estos añadidos van alimentados a los habituales 12 V de la batería. Algunos se controlan directamente, otros con el contacto, otros no. La climatización, en un vehículo eléctrico, no funciona a partir de los 12V de la batería, si no directamente de la batería principal. Al fin y al cabo, mantener ésta en óptimas condiciones térmicas es un asunto de importancia máxima, de seguridad, y pasa por encima del conductor y su voluntad.
Así pues, hay un elemento necesario en estos vehículos, para pasar energía eléctrica de la batería principal de alta tensión (High Voltage o HV) al circuito de baja tensión, comúnmente conocido en el sector como KL30 (Klemme en alemán, Clamp en inglés). El número es el identificativo de cierta borna, estandarizado a nivel internacional. KL30 es la borna positiva de la batería de los coches normales, los 12V (que en realidad están entre 13 y 15). KL31 es la borna negativa, habitualmente el chasis o la carrocería metálica. KL15 es el contacto.
Dado que por ley, las líneas de HV no pueden estar en contacto eléctrico con ninguna de las KL mencionadas, hace falta un aislamiento galvánico entre estas. Eso implica volumen, peso, y ‘bajo’ rendimiento (80 – 95%) en un aparato conocido como conversor DC/DC. Su función es pasar la tensión continua de la batería principal a la tensión continua de la red secundaria [8].
Y aquí se vuelve a liar la cosa. Volvemos otra vez a las pérdidas por resistencia eléctrica, como se comentó en las primeras entradas de esta serie.
En la red secundaria hay algunos elementos de potencia que consumen mucha corriente: luces (55W cada bombilla de los faros delanteros), lunetas térmicas (150W la trasera, menos los retrovisores, entre 100 y 300 el parabrisas que lo llevan), asientos calefactables, motores varios (ventiladores del sistema de climatización, retrovisores ajustables, puertas que se abren y cierran), limpiaparabrisas, elevalunas eléctricos, mechero, ventiladores del radiador, aunque en eléctricos puros son pequeños, bombas de circulación del líquido refrigerante, servofreno, dirección asistida, asientos ajustables eléctricamente, etc.
Los requerimientos de potencia en la línea de KL30 suelen estar en el orden de 1,5 a 3,5 KW de potencia (hasta 300 A a 14V), más o menos del mismo orden que los sistemas de aire acondicionado, que pueden llegar a 4,5 KW en vehículos grandes.
Estas condiciones implican pérdidas grandes, pues volvemos a  trabajar con corrientes similares a las requeridas para el motor principal, del orden de los 300 A. Pero en estos casos, las pérdidas son mucho más representativas, pues puede ser un % muy elevado debido a la baja tensión.
Así pues, hace ya varias décadas, los grandes fabricantes empezaron a trabajar en alternativas, y se encaminó bastante una solución a tensiones más elevadas, del orden de 42 a 48V [9]. Ese camino se cerró debido a los inconvenientes de la migración y a que la irrupción en Japón de los híbridos cambió el panorama. Máxime con la aparición de la chapuza esta que llaman Start&Stop.
Dado los apaños y problemas de este último invento, muchos, múltiples, variados, y sobre todo, costosos, se ha retomado el asunto de las tensiones elevadas para KL30.
Como de costumbre, los que llevan la batuta son una vez más, los teutones. Y éstos están trabajando con tensiones de 48V para reducir las pérdidas y los problemas en diferentes apartados de elevado consumo, especialmente para los sistemas Start&Stop, que también se utilizan en los híbridos.
A esta línea se apuntaría todo aquello que requiere un consumo elevado: motores y suplementos térmicos. La electrónica de a bordo quedaría generalmente excluida, aunque no se descarta. Esto nos deja el panorama nuevamente dibujado con más conversores DC/DC, para dar soporte a dos líneas de alimentación (48V y la clásica KL30).
Pero no se vayan todavía, que aún hay más. Si, si, no nos basta con una batería de 48V para arrancar el diesel del híbrido o para encender las luces o para la luneta térmica, no. Hay que añadir la seguridad de a bordo.
Es obvio que si un vehículo eléctrico se queda sin batería por múltiples razones, pongamos por ejemplo, porque ésta ya no tiene carga debido a que no la hemos recargado, o a que ha envejecido, el vehículo no nos debe dejar tirados en medio de la carretera, sin frenos, sin dirección.
Así puestos, la dirección asistida, así como los servofrenos, deben tener su propio circuito de seguridad. Y eso pasa por trabajar a tensiones bajas, puesto que los contactores de la batería HV pueden fallar, es más, se deben asegurar que en caso de avería, se corta el suministro de HV. Pero no se puede cortar la alimentación al servofreno, ni a la dirección asistida, que deben contar con un sistema alternativo de alimentación de seguridad, que bien puede ser la batería de 48V.
Pero es que el servofreno [10], además, es complicado si queremos aprovechar una frenada para regenerar la carga en las baterías. Debe ser capaz de aplicar frenada regenerativa en la cantidad que la batería HV acepte, y si es necesario frenar más fuerte, entonces debe añadir la cantidad necesaria de freno ‘normal’ (de tambor o de disco, vamos). Incluso en una misma frenada, con la batería vacía derivará la máxima energía a recargar la batería probablemente sin necesidad de activar el freno normal, pero con la batería llena, la debe hacer toda con el freno normal, aunque el conductor no note la diferencia.
Y frenar con los discos o frenos de tambor, requiere bastante energía. Para hacer una prueba, basta con frenar un coche térmico con el motor parado. Especialmente si es un diesel grande. Y entonces, hay que arrancar el motor. Se nota exageradamente cómo el pedal del freno se hunde, como el vehículo se frena más (se nota especialmente en una cuesta abajo) con menos presión. Eso se debe a que el servofreno sólo actúa con el motor encendido. Pero si no hay motor encendido (un eléctrico o un híbrido, ojo), entonces este servo lo debe aplicar el sistema de frenado, con su consumo correspondiente.
¿Sencillo? Pues compliquémoslo. Pongamos dos o tres o cuatro motores, cada uno con su inverter. Esto tiene ciertas ventajas: se pueden poner los motores dentro de las mismas ruedas, con lo que el espacio ocupado es mínimo. Al ser estos motores de menor potencia, el rendimiento generalmente tiende a subir ligeramente. Y lo mejor de todo: tenemos control absoluto sobre cada rueda. Es decir, tenemos la capacidad de controlar totalmente lo que tracciona y/o frena cada rueda. Esta es exactamente la base de los controles de estabilidad [11], aunque los actuales están limitados sólo a controlar las potencias de frenado, e indirectamente, la capacidad de tracción en las ruedas motrices frenándolas, si bien generalmente el control de estabilidad actúa sobre todo en frenadas.
Ahora, el control puede ser mucho más amplio y aplicarse también con mejores efectos en pavimentos muy deslizantes para la tracción, por ejemplo, sobre nieve, hielo, grava. En los países nórdicos, justo donde las baterías duran más, esto puede llegar a ser de la máxima importancia.
Sin embargo, ahora ya no sólo tenemos un inverter que responde a los pedales de acelerador y freno, si no que hace falta alguien que reparta las órdenes de aceleración/frenado a cada rueda independientemente, a partir no sólo de los pedales, sino también de los sensores de rotación de las ruedas (los que usa el ABS, y que en un vehículo eléctrico viene con el motor pues es básico para que el inverter funcione con el máximo de rendimiento) y de los amortiguadores para el ESP. Es decir, hace falta otra unidad de control especializada en ABS/ESP que haga las veces de diferencial (o diferenciales) electrónicos.
Este aparato en concreto además de ir por duplicado como pasa con los inverters (y los ABS), tiene que trabajar con algo más complejo que las transformadas geométricas de Park: trabaja con los filtros de Kalman [12], Wiener-Kolmogorov [13], sistemas de control H2 o H-infinito [14]. Más  mates, más complejidad, todo en tiempo real.
Volviendo a la realidad más habitual, dejando de lado las complicaciones matemáticas, hay algunos puntos todavía por atar en los vehículos eléctricos puros: el subsistema de seguridad o de respaldo, basado en una batería extra, de baja tensión, con todo lo necesario para mantener el funcionamiento de seguridad del vehículo en caso de emergencia, tal y cómo se ha comentado antes, son la electrónica de supervisión necesaria (control de la batería, conversor DC-DC, dirección y freno asistido, algún sistema de indicación), y sobre todo, el método o sistema de detección de problemas.
Éste es un añadido a todos los sistemas que integran el vehículo y que forman parte de la cadena de HV del mismo, y consta de partes físicas o Hardware, y partes lógicas o Software (HW, SW respectivamente). Hemos visto algunas de las partes SW: el sistema redundante con procesadores dobles y supervisión de los resultados, por ejemplo, el sistema de monitorización de las baterías, los contactores internos del pack de baterías, el ABS/ESP.
Pero hay una parte HW muy importante, también repartida por todas partes hasta extremos curiosos, pero no por ello innecesarios. Uno de los clásicos es el llamado Interlock [15]. Un cablecito que está integrado en todos los cables grandes de HV del vehículo, que pasa por el pack de baterías, el inverter, el motor, el aire acondicionado y que sirve para detectar si alguno de estos cables se corta o alguno de los elementos se desconecta, como por ejemplo, cuando se cambia de batería.
Una ruptura de la continuidad eléctrica en el cable implica que se debe cortar el suministro de HV en toda la circuitería, no sea cosa que alguno de los cables de HV proporcionase energía fuera de los parámetros establecidos, es decir, que hubiese un cruce, cortocircuito, y alguien o algo resultase dañado,  por ejemplo por electrocución, o que se iniciase un incendio. Este es uno de los sistemas de detección de accidente y supervisa uno de los parámetros bajo los cuales se debe cortar este suministro eléctrico. Hay más, como por ejemplo el sistema del Airbag.
Hemos hablado de coches eléctricos, pero no de otra variante muy relacionada: los híbridos. En el fondo, es mezclar los dos tipos de motores, el ‘convencional’ de combustión interna, más uno (o varios) eléctrico, con un sistema de acumulación de energía eléctrica, y algo para gestionar dichos motores.
Por la extensión de todo lo relacionado con los híbridos, vamos a dejar estos para más tarde. Sin embargo, el punto final en esta entrada debe incluir a éstos en las implicaciones que conlleva todo lo relacionado con cualquier vehículo eléctrico o híbrido: aún más electrónica para controlar qué motor y cómo funciona el vehículo en cada momento, también algunos extras como el control manual de tracción para seleccionar el modo de funcionamiento, por ejemplo, de un 3008 Hybrid4. Es decir, más complejidad aún.
Hasta aquí una aburrida colección de extras y ‘gadgets’ asociados con el vehículo eléctrico y el híbrido. Una completa y pesada imagen de lo que implica semejante cambio de paradigma que refleja los recovecos y las complejidades a las que se enfrenta este nuevo tipo de motorización. Pero aparte de aburrir, hay que ver ciertas vertientes poco conocidas, muy relacionadas, y que significan un cambio de tercio en este texto bastante importante.
Veamos. Supongamos que el motor eléctrico tenga una capacidad para ser fabricado correctamente y bien a la primera (en el mundillo, First Pass Yeld, FPY para los amigos, que significa ‘pasa a la primera’) del 99%. La posibilidad de que no pase, a nivel matemático, se expresa en tanto por uno, o 0.99 [16].
Si suponemos que el inverter asociado tiene una FPY del 98%, el resultado combinado de unir ambos en un vehículo, es del 0.99 * 0.98 = 0.9701 o 97.02% de FPY.
En breve: cuanto más chismes metamos, es decir, a más complejidad, más piezas malas y problemas vamos a tener.
En la industria electrónica, lo habitual de un aparato electrónico está alrededor del 99%, aceptando un mínimo del 98%, y siendo malo cualquier cosa por debajo del 97%. Crítico o pésimo si no llega al 95%, que muchas veces genera gabinetes de crisis.
Con esto en mente, los fabricantes prueban todo lo que fabrican, miran de reparar lo que pueden, y si consiguen sacar un 99% o más de piezas que fabrican sin problemas, entonces fenomenal. Así calculan para la producción y para tener beneficios, márgenes de 97% mínimo, cargando el 3% más al coste de producto bueno vendido el importe de lo que no da bueno a la primera, de las reparaciones o retrabajos, y del rechazo o scrap.
Dado que las baterías, así como otros elementos, especialmente en sus primeras etapas en que suelen ser más complicados, tienen posibilidades de fallo peores del 98%, el precio sube correspondientemente. Por tanto, que sólo salga, pongamos, el 80% de lo que se produce, el resultado es la quiebra, la bancarrota. Todo lo que baje del 97% final es un problema para el fabricante de primera magnitud.
En resumen de todo este largo texto: los vehículos eléctricos tienen que ser más caros porque son más complejos, tienen más piezas que pueden fallar, más mínimos de Liebig, más problemas de fabricación, más inversión, más complejidad, que redundan en una menor vida útil, menor rendimiento, menor fiabilidad, menor autonomía (fruto de minimizar baterías y reducir rendimiento), y en general, más problemas, y éstos más fatales. Aunque tengan menos mantenimiento, éste suele pasar por cambiar piezas caras (como las baterías), sin posibilidad real de reparación.
Ahora supongamos que hacemos un pack de baterías con cien celdas (360V, algo habitual) con un FPY del 99% unitario. Las baterías no son el elemento más fiable, y obtener un 99% de celdas en el mercado que sean buenas al final del primer mes de funcionamiento, es algo bueno. Si calculamos el resultado para el pack completo es de 0.99100 = 0.366 o 36.6%.
¿Lo subimos a 200 celdas?
[10] - Servofreno

jueves, 28 de agosto de 2014

Renovables y capitalismo



Queridos lectores,

Dada la complejidad y extensión del post de hoy, he creído oportuno estructurarlo en cuatro partes para facilitar su lectura, a saber: Introducción, energía y capitalismo, el papel de las renovables, y conclusión.

Comencemos por el principio.


Introducción
La crisis energética ha comenzado ya; no es una cosa que vaya a pasar en un futuro incierto, sino que es algo que se está desarrollando ya. El petróleo crudo convencional ya está escaseando, como reconoce hasta la Agencia Internacional de la Energía. Los malos sucedáneos de petróleo (lo que incluye la burbuja del fracking, los petróleos extrapesados, los biocombustibles, etc) con los que estamos disimulando la caída del crudo están a punto de empezar a retroceder también, debido a que las grandes compañías petroleras están ya desinvirtiendo en tan ruinosos proyectos. Muchos países que dependían de sus exportaciones de petróleo para mantener presupuestos desequilibrados están colapsando, creando una generalizada inestabilidad geopolítica que conduce a revueltas y a guerras, síntomas de un estado global cada vez más caótico. Se multiplican los síntomas que apuntan a una recesión global, mientras un año más el mundo está consumiendo más líquidos del petróleo de los que produce, tirando de los almacenes en un desesperado intento de hacer creer que todo sigue igual cuando en realidad el mundo cambió hace ya casi un década.


La separación entre consumo (línea negra) y producción (curva sombreada en gris) pasado de los excedentes de los años 70 y principios de los 80 a un déficit que cada año es mayor, siendo especialmente significativo en la última década.


No es sólo el petróleo: el cenit del uranio no está tan lejano y algunos estudios apuntan a que el uranio podría ser el segundo combustible no renovable en llegar a su máximo productivo y empezar a declinar, tan pronto como 2015, es decir, el año que viene. Las perspectivas para el gas natural no son mucho mejores: su cenit se sigue esperando hacia 2020, incluso contando con el shale gas. Y en cuando el carbón, aunque su declive sea más lento, también se espera que su producción llegue a su máximo entre 2020 y 2030. Como explico en las charlas, de acuerdo con el Energy Watch Group se espera que el pico conjunto de estas cuatro materias primas energética no renovables, que representan el 92% de toda la energía primaria consumida en el mundo, se produzca hacia 2018. 

Dada la gravedad de lo que estamos discutiendo, que al final no sea el 2018 sino el 2020 o aún el 2025 es completamente irrelevante, aunque me temo que hasta que no se constate el pico productivo seguiremos perdiendo tiempo en intentar acertar la fecha exacta del comienzo del declive. En realidad no hay un gran motivo para el optimismo, puesto que la explotación del resto de materias primas requiere de grandes cantidades de petróleo, con lo que nuestro futuro estará fuertemente condicionado por la disponibilidad del hidrocarburo que impulsa la mayoría de nuestra maquinaria. Encima, el grado (concentración de mineral) de la mayoría de las vetas de los metales que explotamos está decayendo rapidísimamente. Tomemos, por ejemplo, el oro. SRSrocco report nos ofrece esta gráfica sobre el grado promedio de las minas de oro que explotan las cinco mayores compañías del sector:



Lo grave no es que hoy en día se esté extrayendo sólo 1,20 gramos de oro por cada tonelada procesada, o que la concentración haya caído un 29% en ocho años; lo verdaderamente grave, como nos muestran en esta otra gráfica, es que lógicamente el consumo de combustible para extraer este oro se ha disparado:




No sólo está pasando con el oro; pasa con el cobre y con tantos otros minerales estratégicos. No sólo es la cuestión financiera: es que las vetas son cada vez de menor riqueza, de menor grado. Y por tanto su explotación también requiere cada vez más energía.

Es por tanto lógico el creciente interés por el problema energético, porque es un problema actual, que se está agravando bastante deprisa y que está llevando a peligrosas derivas. Encima, es la causa no reconocida por la que esta crisis no acabará nunca. Necesitamos conseguir más energía y la necesitamos ya, si nuestro sistema económico y financiero tiene que sobrevivir.


Energía y capitalismo
Como ya hemos explicado muchas veces, el capitalismo es un sistema económico que, entre otras características, tiene la de necesitar el crecimiento indefinido, so pena de entrar en una espiral de destrucción económica. La mayoría de las crisis hasta ahora han sido crisis de demanda: la demanda de los consumidores no podía subir tan rápido como la oferta del sistema productivo, la cual había aumentado excesivamente (sobrecapacidad) porque se había invertido demasiado, pensando en unas expectativas de crecimiento del consumo no realistas. Sería el caso, por ejemplo, de la burbuja inmobiliaria cuyos efectos en España aún estamos padeciendo. Sin embargo, estamos ya adentrándonos en un nuevo tipo de crisis, que por lo poco frecuente que es no somos capaces de reconocer, entre otras cosas porque nos obligaría a revisar todas las políticas económicas: es la crisis de oferta. El problema no se origina porque el consumo no puede seguir a la oferta, sino porque la oferta no puede incrementarse por problemas concretos. Yendo a nuestro caso particular, la crisis de oferta se produce por tener una cantidad insuficiente - para crecer - de determinados tipos de energía difícilmente sustituibles por algún otro tipo disponible y más abundante; más concretamente, esta fuente difícil de sustituir y que no crece como nuestro sistema económico es el petróleo. Las crisis de oferta normalmente cursan bajo la forma de sucesivas oleadas recesivas seguidas de periodos de estanflación - y éste es probablemente el curso que estamos siguiendo ahora mismo, como se confirmaría si finalmente se cumplen los peores presagios de que hacia finales de este año o principios del año que viene se va a producir una nueva oleada recesiva a escala global.

Contrariamente a lo que piensa la mayoría de los economistas mainstream, la energía no es una mercancía más, sino la precursora de la actividad económica, y siempre lo ha sido. Es fácil de entender por qué: energía es la capacidad de hacer trabajo útil (propiamente, tendríamos que hablar de exergía aquí). Con ese trabajo útil que nos proporciona el consumo de energía de fuentes diversas podemos producir bienes y servicios, que son el sustento de la actividad económica. En las sociedades neolíticas, la energía la proporcionaban los alimentos y las máquinas encargadas de transformarla en trabajo útil eran los músculos, primero humanos y luego animales. A medida que la civilización fue progresando, se fueron incorporando nuevas fuentes de energía, cada vez más exosomáticas (=de fuera del cuerpo) y cada vez más potentes, hasta el punto de que en la actualidad el peso económico de la energía endosomática (=de dentro del cuerpo) es prácticamente despreciable en el conjunto de la producción mundial de bienes y servicios, tan grandioso como es ahora.

La llegada del capitalismo introduce un incentivo sin precedentes a la producción. No es que el capitalismo sea per se productivista, pero la necesidad de retribuir al capital por el simple hecho de ser (el interés asociado a cualquier préstamo) lleva a su crecimiento exponencial. Por supuesto no todos los préstamos llegan a buen puerto y en algunos casos se pierden intereses y a veces hasta parte o todo el principal (capital prestado), pero a pesar de ello el conjunto del capital se va expandiendo y a un ritmo que aunque menor que el del interés sigue siendo exponencial.

El gran desafío del capital desde las postrimerías del siglo XX y los albores del siglo XXI es encontrar suficientes oportunidades de inversión para continuar expandiéndose, como necesita dentro de nuestro sistema económico. En un mundo donde los recursos naturales están comprometidos (como hemos explicado en la introducción), donde las externalidades (costos de la actividad industrial que no se contabilizan, que se endosan a otro) ambientales son cada vez más graves, y donde la población ya no puede crecer mucho más, se busca y se rebusca incluso en la basura negocios cada vez más dudosos donde invertir. Es en parte por eso que se ha hinchado la burbuja del fracking, cuyo estallido probablemente coincidirá con (y quién sabe si la causará) la próxima oleada recesiva en ciernes; y es por esta desesperante falta de crear nuevas oportunidades de inversión que se reedita la enésima burbuja inmobiliaria global, con los previsibles y reiterados funestos resultados. 

El mundo está ya lleno y no puede expandirse más, no tiene base material para crecer en un nuevo ciclo expansivo. Si tuviéramos un suministro muy barato y prácticamente ilimitado de materiales aún podríamos crecer, poniendo a punto sistemas de captación de energía renovable que ahora mismo no son rentables por su baja TRE. Y si tuviéramos un suministro muy barato y prácticamente ilimitado de energía podríamos extraer materiales en menas de baja concentración o incluso sintetizar fibra de carbono y otros compuestos a partir del aire. Así que en un mundo donde las oportunidades de inversión escasean, disponer de abundantes materiales o abundante energía permitirían recomenzar la expansión que el capital necesita.

El papel de las renovables
Cuando se discute el papel de las fuentes de energía renovables en el futuro que nos espera, teniendo en cuenta la necesidad de ir abandonando las energías fósiles y el uranio que ya están en fase de retroceso o a punto de comenzarla, se suele uno encontrar un determinado tipo de argumentos, que justifican la pobre expansión de las renovables debido a un cierto acoso del lobby del petróleo o de las eléctricas tradicionales, las cuales según ellos tienen miedo a la expansión de la energía renovable porque pondrían en peligro su negocio tradicional.

El argumento de la persecución por parte de un poderoso y peligroso lobby criminal es atractiva porque bebe sus raíces de la narrativa mitológica heroica. Sin embargo, resulta bastante inverosímil, teniendo en cuenta el modus operandi habitual de las grandes compañías. Históricamente, nunca se ha descartado una fuente de energía por la irrupción de otra nueva fuente (ni tan siquiera se ha descartado la fuerza humana, usada aún como fuerza más o menos esclavizada en tantas sweat factories en el Lejano Oriente). Al carbón con el que comienza la Primera Revolución Industrial se le han ido añadiendo el petróleo, la hidroelectricidad, el gas natural y el uranio, y salvo en el caso de éste último (probablemente por culpa del accidente de Fukushima en 2011) las curvas de consumo han tenido siempre una tendencia creciente con pequeñas oscilaciones en torno a ella.
Datos elaborados con los BP Statistical Review, compilados en Flujos de Energía.
 

La velocidad del ascenso en consumo de materias primas energéticas no siempre ha sido la misma, sino que tienen casuísticas particulares; por ejemplo el carbón se estancó claramente en la década de los 90 del siglo XX, para después re-arrancar con fuerza con el ascenso de la China primero y con la escasez de petróleo después. En todo caso, lo que se observa es una apilación de fuentes, no una sustitución. La energía es el motor de la economía y por eso mismo desde el comienzo del capitalismo siempre se ha consumido más y más.

Y justamente en este momento en que el petróleo comienza a escasear, justo en este momento que el consumo de energía per capita disminuye incluso en los EE.UU. (como ilustra la siguiente gráfica de Gail Tverberg),



justo en este momento ¿tendría algún sentido boicotear la implantación de nuevas fuentes de energía?

En realidad las grandes compañías del sector lo que siempre han hecho es irse diversificando; de hecho, la mayoría de las grandes compañías del petróleo tienen intereses en el sector nuclear y en el renovable. Un inversor inteligente nunca pone todos los huevos en las misma cesta, y dado que la energía tiene tanto valor económico es mucho más sensato integrar las nuevas fuentes que aparezcan (igual que se hizo con las anteriores) en vez de intentar arrinconarlas. Con más energía se pueden crear más productos y seguir la fiesta del crecimiento eterno. ¿Por qué, pues, arrinconar las fuentes renovables? Algunos dicen que porque el acceso a las mismas es más democrático y las grandes compañías pierden su hegemonía, pero eso no tiene demasiado sentido. Montar una gran instalación renovable requiere de demasiado capital inicial y eso supone una barrera de entrada para iniciativas demasiado populares; además, siempre se puede conseguir que el legislador regule de modo tal que las grandes compañías se apropien del pastel. Y si bien eso es algo parecido a lo que pasa en España, en el resto del mundo a la energía eólica y fotovoltaica no les va demasiado bien. Fíjense como la energía hidráulica, también renovable, fue integrada sin problemas desde el principio; y si creen que las otras renovables son más "democráticas", deberían pensar que la eólica requiere unas instalaciones también grandiosas y no al alcance de cualquiera. Queda la cuestión de la fotovoltaica, cuyos problemas no son privativos de España, como muestra el siguiente gráfico.

Fuente: EPIA. GLOBAL MARKET OUTLOOK FOR PHOTOVOLTAICS 2014-2018, página 21. Gráfica cortesía de Pedro Prieto.

Aparte de los ataques a la generación renovable en España, se está produciendo un fenómeno de desinversión a nivel de toda Europa, especialmente notable en Italia y Alemania. La fotovoltaica es especialmente difícil de rentabilizar, debido a su baja TRE, incluso en instalaciones domésticas, y después del entusiasmo de hace unos años se está abandonando, incluso en países donde no está perseguida legalmente. El caso de Alemania es particularmente curioso, porque se insiste mucho en ciertos foros en el gran éxito que está suponiendo la Energiewende en ese país, cuando la prometida transición no parece estar teniendo efectivamente lugar. Dejando de lado las críticas (a veces interesadas) al encarecimiento de la electricidad en Alemania, lo cierto es que Alemania se está apoyando cada vez más en el carbón, no en las renovables, para generar electricidad, como ilustra el siguiente gráfico: el 46% de toda la electricidad generada en Alemania proviene de quemar carbón. De hecho, en cifras absolutas la fuente de energía cuyo consumo está creciendo más en Alemania es el carbón (una trampa habitual es presentar las cifras relativas del crecimiento renovable, que son altísimas porque parten de cifras absolutas muy bajas; el carbón, con crecimientos percentuales más modestos, es sin embargo la energía cuyo consumo crece más en el país teutón).

Gráfico tomado del blog "The Automatic Earth", http://www.theautomaticearth.com/debt-rattle-aug-21-2014-oil-solar-dollars-and-fairy-tales/
Y no se está quemando carbón de la mejor calidad: el que más se quema es lignito local, que es barato pero mucho más contaminante y productor de CO2 que otras variedades, simplemente porque los carbones nacionales de mayor calidad ya no están disponibles (el pico del carbón, nuevamente). Alemania no está sustituyendo la nuclear por renovables, sino por carbón del más sucio. ¿Por qué? Porque económicamente es más rentable, porque las energías renovables que se intentan implantar masivamente hoy en día (es decir, la fotovoltaica y la eólica) tienen muchísimas limitaciones que hemos discutido hasta la náusea en este blog (he creado un nuevo post con los enlaces a los artículos pertinentes) y esas limitaciones se manifiestan económicamente en forma de baja rentabilidad.


Y aquí está la clave de los problemas de la implantación renovable. No es un problema de persecución de las renovables por las petroleras o eléctricas malvadas. Pensar eso es una actitud infantil, una excusa del tipo que pone el mal alumno: "la profe me tiene manía". El capitalismo no tiene por qué descartar una fuente que le serviría a sus planes expansivos; lo que sucede es que estas fuentes son de bajo rendimiento y no le interesan, porque su rentabilidad anualizada sería muy baja o incluso negativa. 

Desgraciadamente, la mitología de la persecución renovable (alentada por los movimientos legislativos efectivamente represivos en España, de los que luego hablaré) sirve para crear peligrosas ficciones. Por ejemplo, hace poco he visto una "noticia" en medios españoles (como ya expliqué, no voy a poner ningún enlace explícito a diarios españoles) según la cual en Alemania se acababa de batir el récord de generación fotovoltaica, que equivalía a 20 centrales nucleares. Si uno va a la fuente real de la información, de la cual lo publicado en España es una mala traducción, se entera uno de que en el mediodía del 26 de Mayo de 2012 se produjo tal potencia, durante un período muy corto y poco recurrente (pues en Alemania la insolación es sensiblemente inferior a la que hay aquí, por latitud y nubosidad). Como comentaba Pedro Prieto, la noticia lo único que refleja es que la potencia fotovoltaica instalada en Alemania es muy elevada, pero de ahí a decir que equivale a 20 centrales nucleares media un abismo: las centrales nucleares tienen un factor de carga del 85% (es decir, la energía que generan al cabo del año equivale al 85% de su máxima capacidad) mientras que las fotovoltaicas se encuentran, en el mejor de los casos, en el 20%. Que en un momento concreto, el mediodía de un soleado sábado de finales de primavera, la mayoría de las placas solares del país funcionen a pleno rendimiento no quiere decir que lo hagan tan bien al mediodía del día siguiente, y mucho menos obviamente de noche. En realidad, se tendría que multiplicar por cuatro el número de tales placas solares y contar con buenas baterías (el gasto de las cuales disminuye la TRE, por cierto) para que realmente las placas alemanas pudieran equivaler a esas 20 centrales nucleares. En realidad, y como hemos visto, Alemania se está refugiando en el carbón mientras pretende estar haciendo una transición renovable. Lo triste del caso es que la noticia de Reuters es esencialmente una edición de un comunicado de prensa de la propia industria fotoltaica. Y lo esperpéntico de la noticia es que se publicita en medios españoles como logro reciente lo que en realidad salió publicado por primera vez hace dos años.
 
Se equivocan también quienes piden más investigación en renovables, pensando que de esa manera en tiempo razonable se va a mejorar su eficiencia y se conseguirá por fin vivir el sueño de mantener una sociedad capitalista, industrial y creciente impulsada con "fuentes limpias". Se equivocan porque no es que se haya investigado poco: llevamos unos 50 años de investigación sobre los sistemas actuales, y los principios básicos sobre los que se basan se conocen desde bastante antes. Y se sigue invirtiendo grandes cantidades en su desarrollo; si no se está progresando más es porque las renovables tienen límites como hemos explicado arriba, pero no queremos aceptarlo porque nos negamos a aceptar que en realidad lo que tenemos que cambiar es nuestro sistema económico, no las Leyes de la Termodinámica (cuando el primero en realidad sí se puede modificar y las segundas no). Y como nos negamos a aceptar cosa tan obvia, nos ensoñamos con el último anuncio del prototipo más reciente de dispositivo solar que promete rendimientos altísimos a costes muy bajos, perdiendo de perspectiva que la industria hace regularmente tales anuncios desde hace décadas y que los prototipos finalmente nunca dan el paso a la fase comercial por ciertos costes implícitos que en las noticias originales no se mencionaban, lo cual sirve para alimentar aún más teorías de la conspiración y otras paranoias para huir de la realidad.


Está, al final, el mayor problema de todos: nos falta energía para mantener nuestro sistema económico en buena salud, pero no todas las fuentes de energía son iguales, no son intercambiables. Y se habla mucho de electricidad, cuando en el caso de los países industrializados representa solamente un 20% del consumo de energía final (21% en el caso de España) y un 10% en el contexto del mundo. Necesitamos energía, sí, pero no electricidad.

El caso concreto de España, como muchas veces he comentado, ilustra muy bien los problemas de la presente concepción de los sistemas de generación de energía renovable. Con 108 Gw de potencia eléctrica instalada para un consumo equivalente a una potencia media de 32 Gw, en España no estamos necesitando mejorar la eficiencia en la producción de la electricidad, sino encontrar nuevas formas de aprovechar la electricidad. Pero no las estamos encontrando. El consumo eléctrico en España baja lenta pero inexorablemente (salpimentado con algún repunte puntual, como el ocasionado por la presente y efímera recuperación), porque la actividad industrial baja y la electricidad no está pudiendo sustituir al petróleo (recordemos que la caída de consumo de petróleo en España está cerca del 25%). No hay ni habrá coche eléctrico, ni mucho menos maquinaria pesada eléctrica. No hay substitución: la electricidad sirve para unas cosas y el petróleo para otras.

En este contexto, ¿qué está pasando? Pues que el Gobierno español se está plegando a las demandas de las grandes empresas del sector eléctrico, preocupadas por la caída de consumo y por tanto de ingresos, y está regulando de tal manera que está acabando con las pequeñas empresas e iniciativas particulares de generación de electricidad. No es sorprendente: esencialmente las grandes empresas están protegiendo su negocio porque no es un área en expansión, porque no se puede expandir, ya que no es la electricidad la forma de energía que manda sino el petróleo (21% vs 54% de la energía final en España). Este fenómeno, que parece idiosincráticamente español, se irá produciendo en el resto de países occidentales, porque en el fondo es un proceso de contracción del sector eléctrico. Sin embargo, todos los debates que insisten una y otra vez en la generación de electricidad como si se hablase de energía (incluso, que hablan de independencia energética poniendo el acento en la generación renovable) sirven para alimentar en la ciudadanía un resentimiento mal orientado, puesto que a pesar de lo reprobable de la actuación del lobby eléctrico el problema es más grave y más profundo.


Conclusiones

El problema de la generación renovable no tiene que ver con el miedo a la democratización del acceso a la energía, el temor de las grandes compañías a perder ingresos, o los intereses del lobby petrolero para que no haya fuentes alternativas. Aunque todos esos factores tengan o hayan tenido un cierto peso, el problema fundamental de los actuales sistemas de generación renovable, entendidos aquí como fotovoltaico y eólico, reside en sus limitaciones y su bajo rendimiento económico, que hacen imposible que el sistema capitalista los pueda integrar (como hizo en el pasado con la hidráulica) para seguir creciendo. Aquí reside la dificultad esencial, sin la cual ya se hubieran hecho las artimañas adecuadas para garantizar un mantenimiento del status quo que las integrara.

Es legítimo pensar que tenemos que invertir en estos sistemas de generación, a pesar de su escasa rentabilidad, como una apuesta para un futuro nada lejano en el cual el petróleo y el resto de fuentes de energía no renovable estarán en retroceso. Sin embargo, dentro de nuestro marco jurídico no podemos obligar a nadie a invertir en un negocio sin rendimiento, y debido a la contracción económica que genera la caída en disponibilidad de energía los estados tampoco tienen capacidad de asumir esta inversión. Los particulares podrían intentar formar cooperativas para impulsar estos proyectos, pero chocarían con dos dificultades esenciales: por un lado, su propia pérdida de renta disponible fruto del avance de la crisis; y por el otro la presión de las empresas del sector eléctrico que no querrían ver disminuir su negocio aún más deprisa y cuyos balances de resultados trimestrales no entienden de apuestas estratégicas con proyección a décadas vista. Por tanto, veo muy difícil llevar a término este tipo de proyectos sin una modificación esencial y fundamental de las reglas que rigen nuestro sistema económico y social, que tendría que ser fruto de una concienciación sin precedentes sobre la gravedad del problema planteado.

Pensando en el largo plazo, es incluso discutible que los sistemas de generación que estamos discutiendo aquí sean los más adecuados, puesto que están pensados para la producción de electricidad a gran escala para ser distribuida en una gran red eléctrica, cuyos altos costes la harán difícil de mantener en el futuro post-petróleo. Posiblemente la apuesta por sistemas más modestos, no centrados en la producción de electricidad, sería más adaptado a nuestras necesidades y posibilidades futuras, y al tiempo daría una vía para esquivar las dificultades señaladas en el párrafo precedente.

Salu2,
AMT