miércoles, 9 de diciembre de 2015

Pérdidas crecientes en el sistema energético mundial

Queridos lectores,

Uno de los dos JotaEles que escriben de tanto en tanto en estas páginas nos ofrece un detallado análisis sobre la evolución del sistema energético mundial, fijándose en sus pérdidas operativas. Un trabajo del máximo interés, ya que refleja la evolución de la TRE global.

Salu2,
AMT



Pérdidas crecientes en el sistema de abastecimiento energético mundial
La energía primaria representa la energía que está contenida en los combustibles, antes de pasar por los procesos de transformación a energía final. La Energía final es la energía tal y como se usa en los puntos de consumo; por ejemplo, la electricidad o el gas natural que utilizamos en nuestras casas. Los diversos procesos de producción, transporte y transformación consumen una cantidad significativa de energía que es lo que vamos a tratar como pérdidas energéticas. La ecuación entre las tres energías quedaría:   Energía Primaria = Energía Final + Pérdidas
Gráfica 1: Pérdidas entre la energía primaria y la final  del año 2012. Datos de AIE

En la gráfica 1 vemos la diversificación de las pérdidas correspondientes al año 2012. En este post se van a tratar las pérdidas que son de mayor magnitud, me refiero a las pérdidas en generación eléctrica y a las pérdidas correspondientes al gasto energético en uso propio. También vamos a tratar un poco más la nuclear y las renovables ya que es lo que quedará a medida que se vayan agotando los combustibles fósiles (la nuclear no lo tiene tan claro cuando pase el cenit del uranio).
La mayor parte de los datos de este post están sacados de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), cuyo balance facilita estos datos. Los datos de la AIE son en ktep.

Gasto energético en uso propio.
Según el glosario de la AIE el gasto energético en uso propio es la energía primaria y final consumida por las industrias de transformación para su calefacción, bombeo, tracción, y alumbrado. Aquí se incluyen, por ejemplo, el uso propio de la energía en las minas de carbón, el consumo propio en las centrales eléctricas (que incluye electricidad neta consumida por acumulación por bombeo) y la energía utilizada para la extracción de petróleo y gas natural. Esta última faceta es apreciada por este trabajo, pues se va a tratar de ver si se puede percibir un aumento significativo de la energía necesaria según se van agotando los yacimientos y se empiezan a utilizan petróleos no convencionales.
Gráfica 2: Consumos propios  a nivel mundial según el tipo de energía. Datos AIE

En la gráfica 2 se ven los consumos energéticos en uso propio del mundo según los tres combustibles fósiles usados y  el consumo de electricidad. Se ve perfectamente como el gas natural es la energía que más aumenta en cuanto a consumo propio seguido por la electricidad; por el contrario el uso de los productos petrolíferos como consumo propio empieza a entrar en declive coincidiendo con esta última década de altos precios del petróleo; o sea, la extracción del petróleo y de los otros combustibles sigue aumentando, pero cada vez se utiliza menos petróleo para ello. También se usa petróleo, biocombustibles y calor para consumo propio, pero su consumo es tan bajo que no merece representarlo en la gráfica.
Gráfica 3: Relación entre consumos propios totales a nivel mundial con la producción y el consumo mundial de energía final                                                                                                                                                                                                                      

La gráfica 3 representa el consumo total en usos propios junto a la gráfica de la producción y el consumo mundial de energía final.  La producción y el consumo de energía final están superpuestos y en la misma escala, en cambio la línea que representa el consumo en usos propios está en otra escala; se han dispuesto de esta forma para facilitar la comparación del consumo en usos propios con la energía final y la producción. Ambas comparaciones son interesantes puesto que el consumo en usos propios depende tanto de la producción como del consumo de energía final. Como veremos en esta gráfica y en las siguientes, la línea de consumos en usos propios sigue más a la línea de la producción que a la línea del consumo de energía final.
De la gráfica se pueden sacar algunas conclusiones; si la producción energética mundial aumenta, aumenta también la energía necesaria para ello. Se nota cierta separación de las líneas según aumenta la gráfica, coincidiendo probablemente con técnicas de recuperación mejorada de petróleo según van entrando en declive yacimientos de petróleo. Al final las dos líneas vuelven a converger, coincidiendo con el auge de los petróleos no convencionales, parece que los petróleos no convencionales no son tan intensivos en energía después de todo.
Gráfica 4: Producción, consumo energético y consumos en uso propio de México. Datos de AIE

La gráfica 4 representa la producción, el consumo energético y los consumos en uso propio de México. El 70% de la producción energética de México corresponde al petróleo, el cual entró en declive en este país en el año 2006. Con la producción en declive, se consigue sacar petróleo con técnicas de recuperación mejorada de petróleo, pero estas técnicas son más intensivas en energía con lo cual sigue aumentando el gasto en energía. La gráfica nos muestra el declive de la producción junto al continuado aumento del consumo de energía en usos propios.
Gráfica 5 : Producción, consumo energético y consumos en uso propio del Reino Unido. Datos de AIE

La gráfica 5 es otra gráfica típica de un país que lleva en declive varios años. El Reino Unido tiene en declive la producción del carbón, del gas natural y del petróleo. Se puede observar la creciente abertura entre las dos líneas, indicando  la mayor cantidad de energía necesaria para extraer cada vez menos energía.

Gráfica 6: Producción, consumo energético y consumos en uso propio de Rusia. Datos de AIE
La gráfica 6 tiene los datos correspondientes a Rusia. Representa una gráfica de un país que no ha llegado todavía al cénit de la producción de ningún combustible fósil, se puede observar que las líneas de la gráfica de la producción y de los consumos en uso propio, van más o menos aparejadas.
Gráfica 7: Producción, consumo energético y consumos en uso propio de EEUU. Datos de AIE

La gráfica 7 tiene los datos correspondientes a EEUU. EEUU es un gran consumidor de energía, consume más energía que la que produce, en la gráfica no se ve puesto que al ser energía final no están incluidas las pérdidas. Pese a ser un gran consumidor de energía, y que por lo tanto tiene que gastar mucha energía en su transformación, vemos que también en este caso la línea de consumo en usos propios es más parecida a la de producción que a la de energía final. En principio y atendiendo a la gráfica, la producción por fracking no parece más intensiva en energía que el petróleo o el gas convencional.
Gráfica 8: Producción, consumo energético y consumos en uso propio de Canadá. Datos de AIE

La gráfica 8 tiene los datos correspondientes de Canadá. En Canadá están aumentando la producción de arenas asfálticas, y petróleo convencional, por contra el gas entró en declive a partir del 2007 (se nota el declive del año 2007 en la producción). Sus consumos en usos propios siguen creciendo acorde con la producción de la energía, siendo el gas el más usado con diferencia en uso propio.
Atendiendo a los datos de las gráficas que hemos visto, parece que la extracción por fracking y arenas asfálticas no supone más energía que la extracción de petróleo o gas convencional, sin embargo la extracción con técnicas de recuperación mejorada de petróleo sí que supone más gasto de energía. Los yacimientos de petróleo en declive son los que producen más gasto energético.
Por último podemos tomar a España como un país que no tiene producción de energía de combustibles fósiles, prácticamente todo el combustible consumido es importado. España en el 2012 producía solo 2.659 ktep de los cuales 2.462 eran de carbón (España importa entre todos los combustibles 100.455 ktep).
Gráfica  9: Producción de renovables y consumos en usos propios en España. Datos de AIE

La gráfica 9 demuestra que la nueva producción con renovables no incrementa el consumo en usos propios; por lo tanto se puede considerar que la mayor parte del consumo en usos propios de este país viene prácticamente de las refinerías, centrales eléctricas, centrales de bombeo y la pequeña extracción de combustibles que todavía queda.
Ya que el gasto en usos propios vinculado a la producción es muy bajo, podemos decir que es un gasto energético totalmente orientado al consumo de energía del país. Desde la crisis del 2008 España ha bajado el gasto energético, coincidiendo con la bajada en consumo en usos propios de esta gráfica; esto quiere decir que aumentando la eficiencia y con comportamientos más austeros con la energía se favorecería la disminución de estas pérdidas. No es un consumo despreciable ni mucho menos, hasta el 2006 se puede ver en la gráfica que era el equivalente a toda la producción renovable del país.

Pérdidas en generación eléctrica
Gráfica 10: Producción eléctrica mundial y la energía necesaria acumulada para su generación. Datos de AIE

La gráfica 10 muestra el consumo eléctrico mundial representado por la inferior línea verde a trazos. En la misma gráfica y a la misma escala se encuentra toda la energía acumulada necesaria para la generación de la energía perteneciente a esa inferior línea verde a trazos. Está claro que más de la mitad de la energía utilizada para la generación se pierde en su transformación a energía eléctrica. Con diferencia son las pérdidas más grandes de todo el sistema energético (gráfica 1). Sin embargo no todas las fuentes energéticas tienen las mismas pérdidas.
Gráfica 11: Pérdidas en generación de energía eléctrica. Datos de Minetur en ktep

La gráfica 11 está formada con datos del Ministerio de Industria del año 2011. En la gráfica se puede observar la ausencia de pérdidas en transformación de las energías renovables no térmicas como la hidráulica, la eólica y la fotovoltaica. Esto es interesante porque aunque producen relativamente poca energía, casi toda la que producen pasa directamente a la red.
Si reconstruimos la gráfica 10 pero representando una estimación de la energía final eléctrica con la aportación de cada fuente de energía tendríamos una gráfica parecida a la siguiente:
Gráfica 12: Aportación de las diferentes fuentes de energía en la producción eléctrica mundial. Datos estimados

La gráfica 12 ha sido formada con los datos de la gráfica 10 multiplicando cada fuente de energía por un factor correspondiente de transformación a energía final, calculando cada factor a partir de los datos que han formado la gráfica 11.
La línea verde a trazos de nuevo representa la producción eléctrica mundial, como se puede observar casi coincide con la producción estimada. Supongo que la diferencia vendrá porque la producción española debe ser más eficiente que la producción de gran parte del resto del mundo, por lo cual al aplicar los factores de la producción española sale una producción total un poco superior. Hay una segunda razón, en el sector eólica-solar no se han tenido en cuenta las pérdidas ya que las tecnologías que tienen pérdidas como la termoeléctrica solar y la geotérmica de generación eléctrica son energías todavía minoritarias. Descontando las pérdidas, la banda eólica-solar sería un poco más delgada.
En la gráfica 12 vemos que la cosa ha cambiado, la nuclear se ha quedado en una franja más delgada que la hidráulica, por el contrario las minúsculas renovables están ahora entrando casi con un 24% de porcentaje; aún así la aportación es muy pequeña si consideramos que la mayor parte corresponde a la ya muy madura y desarrollada hidroeléctrica.

Eficiencia
En física, la eficiencia o rendimiento de un proceso o de un dispositivo es la relación entre la energía útil y la energía invertida. Ya que el balance de la AIE nos da tanto la energía primaria como la energía final, vamos a sacar la gráfica de la eficiencia.
Gráfica 13: Eficiencia en el sistema energético mundial. Datos de AIE
Se puede ver una bajada continua de la eficiencia hasta el final en el que parece entrar en una meseta. ¿Qué es lo que hace que la eficiencia mundial disminuya?
Por una parte nos encontramos con que la producción de combustibles en declive necesita más energía (gráfica 5), esto hace que las pérdidas aumenten. Por otra parte, como consecuencia de la segunda ley de la termodinámica, todas las transformaciones de energía tienen pérdidas, por lo tanto todas las transformaciones en refinerías, centrales eléctricas y demás transformaciones van a traer pérdidas considerables, en especial la generación eléctrica (ver gráfica 1 y gráfica 10).
Los países desarrollados consumen más energía eléctrica que los no desarrollados, así que los países emergentes al desarrollarse tienden a aumentar el consumo de energía eléctrica.  Debido al alto coste del petróleo de estos últimos años, el sector de la industria está sustituyendo el petróleo por electricidad. Los sectores residencial y servicios públicos, ambos ya muy intensivos en el uso de la electricidad, continúan incrementando  el consumo de energía eléctrica. Todo esto hace que el uso de la electricidad esté aumentando en el mundo; del 1990 al 2012 el porcentaje de la electricidad en la energía final ha pasado de ser el 13% hasta ser el 18%, trayendo consigo su correspondiente cuota de aumento de las pérdidas.
Este post no pretende demonizar el uso de la electricidad; la electricidad es la energía comercial más versátil, adaptable a casi cualquier uso y potencia, y completamente limpia en el punto de consumo. Pero su coste energético y ambiental es muy elevado, por lo que se debería evitar su derroche, limitando también su empleo en aplicaciones que no necesiten una energía de calidad como puedan ser la calefacción y el agua caliente.
En la parte final de la gráfica vemos un estancamiento de la bajada de la eficiencia, marcando lo que parece un cambio de tendencia. Este estancamiento de la bajada de la eficiencia es debido a dos causas:
A partir del 2004 las renovables de área eléctrica empiezan con una fuerte escalada en la producción, esto hace que a partir del 2008 las pérdidas en generación eléctrica empiecen a disminuir ligeramente (esto creo que no había ocurrido nunca). En realidad la proporción de generación eléctrica renovable es muy baja si lo comparamos con la producción mundial, pero como hemos visto antes, la hidroeléctrica, la eólica y la fotovoltaica (gráfica 11), entran con cero pérdidas, esto hace que se note ligeramente en una bajada de las pérdidas. Entre el 2004 y el 2013 las pérdidas en generación eléctrica han bajado un 10,4%.
La segunda causa es el parón nuclear de Japón por el accidente de Fukushima, pese a que parte de la producción fue sustituida por gas natural y por carbón que también tienen pérdidas, las pérdidas disminuyeron un 20%. Precisamente el cambio de tendencia de la eficiencia en la gráfica coincide con el parón nuclear de Japón.
Gráfica 14: Eficiencia en el sistema energético de la OCDE. Datos de AIE
Como se puede ver en la gráfica de la OCDE la eficiencia está formada por altibajos. La gráfica muestra que los países desarrollados, por lo menos en esta muestra de datos, parecen conseguir, o al menos intentan mantener la eficiencia. Tiene su mérito, pero no tanto; los países en desarrollo se han especializado  en la exportación de materias primas y de productos manufacturados intensivos en energía, lo que ha provocado que sus trayectorias tecnológicas sean muy intensivas en energías. Después parte de los productos manufacturados producidos con esta energía, son vendidos a los países desarrollados a bajo coste.
La OCDE consume más energía que la que produce, por lo tanto podemos considerar que la procedencia de las pérdidas está más orientada al consumo que a la producción. Confiar en una tendencia alcista en la eficiencia lo considero imposible, puesto que en las sociedades de consumo desarrolladas la energía se trata como un producto de consumo más a derrochar. Salvo en sectores como la industria, en la que por cuestiones de competitividad sí que interesa ser más eficiente con la energía.
Lo más destacable de la gráfica es el estancamiento de la energía a partir del 2004, seguido en el final de la gráfica con un ligero declive. Esto coincide con los últimos diez años de altos precios del petróleo. Parece que lo que no consigue la eficiencia, lo ha conseguido el precio. Está visto que no hay mejor eficiencia que unos suficientes altos precios en la energía.

Cuantía de las pérdidas
Las pérdidas en el mundo en el año 2012 fueron el 31,6% de la energía primaria mundial, una cantidad bastante considerable. Hemos visto con el caso de España que en muchos de los países desarrollados gran parte de las pérdidas energéticas están fuertemente vinculadas al consumo desaforado de la energía más que a la producción de energía. Cuanto más consume un país las pérdidas son también más grandes.
Como una gráfica dice más que mil palabras, en la gráfica siguiente vamos a ver como las pérdidas correspondientes a la OCDE (países desarrollados) y a los EEUU son parecidas al consumo de energía final de continentes enteros. Las líneas azules corresponden a consumos y las naranjas a pérdidas.
Gráfica 15: Comparativas de pérdidas y consumos de energía final. Datos  de AIE

Actualmente el 18% de la población mundial (OCDE) genera el 38% de las pérdidas mundiales. La tendencia actual es al estancamiento del crecimiento energético en la OCDE, pero aumenta fuertemente el consumo energético en los países emergentes por lo cual las pérdidas seguirán en una tendencia creciente.

Uno de los problemas de la energía nuclear: las pérdidas.
Una central nuclear tiene pérdidas como cualquier central térmica que genera electricidad por medio del calor. En particular las centrales nucleares tienen más pérdidas que las otras centrales; una central nuclear es una compleja, cara y peligrosa fábrica de energía que para poder generar una unidad de energía eléctrica se necesita consumir dos o incluso tres unidades térmicas. Hay que recordar también que la mayor parte de la energía nuclear solo produce electricidad.
Los tres países que más reactores nucleares tienen con diferencia son EEUU que tienen 104, Francia que tiene 58 y Japón  que tiene 50 reactores nucleares, de ellos Francia es el país más nuclearizado del mundo pues la energía nuclear en este país supone el 43% del total de la energía primaria; algo totalmente inusual si lo comparamos con los otros dos países: EEUU el país con más reactores nucleares, la energía nuclear tiene un porcentaje del 9% de la energía primaria y Japón en el 2010 (antes de Fukushima) la nuclear estaba en el 15% de su energía primaria.
Gráfica 16: Comparativa de generación y pérdidas de diversos países y situaciones. Datos de AIE

En la gráfica 16 se ve perfectamente como Francia es el país de más pérdidas en generación eléctrica. También se nota claramente la disminución de pérdidas con el aumento de renovables en España, así como también se nota la disminución de pérdidas en Japón con la parada nuclear por el accidente de Fukushima.
A continuación vamos a poner una comparativa de la energía primaria y final de Francia, el país más nuclearizado de mundo y España, el país con más renovables en su mix energético en el mundo.
Grafica 17.Energía primaria Francia 2012. Datos de AIE
Gráfica 18:Energía primaria España 2012. Datos de AIE           

Las gráficas 17 y 18 comparan la energía primaria de España y Francia. Obsérvese como el porcentaje nuclear de Francia en la energía primaria está muy por encima del resto de países, incluso de los que tienen más reactores nucleares como EEUU y Japón.
Gráfica 19: Energía final en Francia  Datos de AIE
Gráfica 20: Energía final en España         Datos de AIE

Las gráficas 19 y 20 comparan la energía final de Francia y España del año 2012. Se puede observar que el reparto de las diferentes energías es muy similar, y sorprendentemente encontramos a España por encima en consumo eléctrico que Francia.
A continuación un escueto resumen de los sectores de consumo más importantes de ambos países:
Energía sector residencial en Francia
Gráfica 21                                                      Datos de AIE
Energía sector residencial en España
Gráfica 22                                                      Datos de AIE
Gráfica 23: Energía sector comercial y servicios públicos en Francia. Datos de AIE
Gráfica 24: Energía sector comercial y servicios públicos en España.                                                  Datos de AIE

Las gráficas 21 a 24 muestran el porcentaje energético de los sectores residencial y comercial y servicios públicos. En ambos sectores vemos como España tiene bastante más electricidad que Francia. En el único sector que domina Francia en consumo eléctrico es en la industria, en el que Francia tiene un porcentaje del 35% y España del 31%.
En el sector del transporte la electricidad tiene una participación minúscula en ambos países, en este sector dominan ampliamente los productos petrolíferos; ni siquiera unos sobredimensionados parque nuclear o renovable tienen algo que decir en este sector.
En cuanto a la exportación de un hipotético exceso de energía nuclear,  las exportaciones de electricidad francesas  suponen un 7,9% de la producción eléctrica, mientras que España exporta el 3,8% de la producción eléctrica, prácticamente la mitad que Francia y sin infraestructuras para la exportación del nuevo parque renovable. Las nuevas interconexiones previstas con Francia entre otras cosas permitirán exportar los excedentes renovables que se generan en España.
Los datos de las tablas que vamos a ver a continuación están sacados del documento Sociedad de consumo y energía y corresponden al uso energético correspondiente al sector residencial y al uso energético correspondiente al sector comercial y servicios públicos que se dieron en  España en el año 2010.

Uso energético
%
Calefacción
47
Agua caliente sanitaria
27,4
Equipamiento
20,6
Iluminación
3,9
Aire acondicionado
1,1


Uso energético
%
Calefacción
31,1
Agua caliente sanitaria
3,3
Equipamiento
17,3
Iluminación
22
Aire acondicionado
26,2

Distribución de la energía en el sector doméstico
Datos del IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía)
Distribución de la energía en el sector comercial y servicios públicos.
Datos del IDAE
A continuación con los datos de las tablas anteriores vamos a comparar la suma de los porcentajes correspondientes a equipamiento, iluminación y aire acondicionado para compararlo con el consumo de electricidad de ambos países.  También sumaremos los porcentajes de consumo de calefacción y agua caliente para compararlo con el consumo de combustibles de ambos países.



Datos del IDAE
Sector residencial
 %
Calefacción y agua caliente %
Equipamiento e iluminación %
Francia electricidad
32
74,4
25,6
Francia combustibles
68

España electricidad
42
74,4
25,6
España combustibles
58


En el sector residencial según la tabla anterior, son los datos de Francia los que se acercan más a los valores aportados por el IDAE. El consumo de España en electricidad está por encima del consumo correspondiente a equipamiento e iluminación, por lo tanto se utiliza más electricidad para calefacción y agua caliente que en el caso de Francia; esto es debido a que las temperaturas medias son más suaves que en Francia y las bajas temperaturas duran también menos tiempo.



Datos del IDAE
Sector comercial y servicos públicos
 %
Calefacción y agua caliente %
Equipamiento e iluminación %
Francia electricidad
53
34,5
65,5
Francia combustibles
47

España electricidad
69
34,5
65,5
España combustibles
31


En el sector comercial y servicios públicos las comparaciones de los datos del IDAE con la de los dos países son parecidas, siendo los datos de España casi coincidentes con los datos del IDAE.
Con estos datos podemos deducir que, quitando la industria, en ambos países la mayor parte de la generación de electricidad se usa para equipamiento e iluminación; dejando los combustibles para la calefacción y el agua caliente sanitaria. Esto es muy razonable porque si por ejemplo Francia quisiera aportar con nucleares la energía correspondiente a los combustibles del sector residencial que son unos 28.424 ktep usados en uso térmico, necesitaría para compensar las pérdidas, producir con nucleares unos 86.151 ktep térmicos que corresponden aproximadamente a la construcción de 45 carísimos reactores nucleares más; lo cual es absurdo. Otras térmicas minimizarían algo las pérdidas (gráfica 11) pero incluso así sigue siendo absurdo gastar mucha energía térmica para generar electricidad cuando el combustible directamente en destino va a conseguir bastante mejor rendimiento térmico.
Para compensar las enormes pérdidas de las nucleares, hay que construir un considerable número de carísimos reactores nucleares; esto hace que la electricidad tienda a no ser usada en tareas térmicas. Aunque estas pérdidas no emiten contaminación, ni contribuyen al efecto invernadero; sus residuos son un peligro potencial que aún no tiene solución satisfactoria para su gestión; a pesar de llevar más de 60 años de funcionamiento la industria nuclear.

Conclusiones
-Toda nueva demanda lleva sus pérdidas asociadas; así que cuanto más aumenta el consumo de energía en el mundo, más aumentan las pérdidas. (gráfica 13)
- El mundo está aumentando el consumo de energía eléctrica, lo cual incrementa todavía más las pérdidas.
- A medida que los yacimientos vayan entrando en declive (gráfica 5) se irán incrementando todavía más las pérdidas.
- Si el sector de la automoción empieza a usar masivamente la electricidad y el hidrógeno, de nuevo se incrementarán todavía más las pérdidas.
- Con el progresivo aumento de las pérdidas se llegará a un punto en que la contaminación producida por las pérdidas superará a la producida directamente por el uso de la energía.
- La producción energética responde al incremento de la demanda de la energía final. Con el progresivo aumento de las pérdidas, además de tener que responder a la demanda de la energía final, también tendrá que responder a la creciente demanda producida por las pérdidas. Esto acelerará irremediablemente el cenit de los combustibles fósiles.
- El uso de energías renovables contrarresta el crecimiento de las pérdidas, pero de una forma muy lenta como ya hemos visto. Esto es porque la capacidad de producir energía con renovables es muy baja, algo que veremos en un futuro post; sin duda la única forma de decrecer las pérdidas energéticas está en aplicar una fuerte austeridad energética.

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