Los límites de la energías renovables: Potencial Máximo. Parte I: Eólica.

Densidad de potencial eólico obtenido con el difusómetro Quickscat. Imagen del Earth Observatory de la NASA, earthobservatory.nasa.gov

Queridos lectores,

Por razones de saturación de trabajo este post y el siguiente (que enlazan con la discusión de los dos anteriores) serán más breves, y vendrán seguidos después por varios posts invitados. Espero recuperar la actividad habitual hacia principios de Febrero.

Hace unos meses Carlos de Castro, Margarita Mediavilla, Luis Javier Miguel y Fernando Frechoso, todos ellos profesores de la Universidad de Valladolid, publicaron un artículo en Energy Policy (la misma revista donde hemos publicado nosotros recientemente, una buena revista en su campo). Su artículo lleva por título (en inglés): "Potencial energético global del viento: límites físicos y tecnológicos". Se hicieron eco del artículo, fundamental por sus demoledoras conclusiones, Crisis Energética y The Oil Drum. La recepción del estudio en esta última página fue particularmente desabrida, como ahora comentaremos. No repetiré aquí el resumen del artículo; la versión en castellano que hizo el propio Carlos de Castro y que publicó Crisis Energética (enlace de arriba) es breve y clarificadora, y por tanto recomiendo al lector leerla si aún no lo ha hecho antes de continuar leyendo este post.

El argumento de Castro et al es simple: hacen un análisis de arriba a abajo sobre el potencial eólico aprovechable bajo hipótesis razonables. Es decir, en vez de considerar el enfoque más usual de tomar el potencial de cada punto del planeta Tierra independientemente e ir sumando, ellos comienzan desde arriba y miran cuánta energía está realmente al alcance del ser humano, mirando primero de cuánta energía se dispone en las capas bajas de la atmósfera; después, cuánta de ésta está en ubicaciones geográficas accesibles; de estas ubicaciones cuáles ofrecen un potencial energético lo suficientemente grande como para poder ser consideradas económicamente rentables; de lo que queda cuánto se puede aprovechar teniendo en cuenta que hay que dejar un mínimo espacio entre molinos para evitar que las estelas mermen la extracción; de ese número cuál sería el factor de carga estimado y por último de esa cantidad realmente disponible de la naturaleza con cuánta eficiencia podemos aprovecharlo en energía eléctrica. El resultado es desolador: la energía producible equivale a un teravatio (1 Tw) de potencia media. Teniendo en cuenta que en el mundo la energía total consumida es unas 14 veces más y que el estudio de Castro et al. es una idealización y que en la práctica lo que se podrá producir en condiciones operativas reales será una fracción de lo anterior, este estudio lanza una jarra de agua fría sobre los que aún sueñan con un futuro mix renovable con una capacidad de generación comparable al consumo actual (decir que, por ejemplo, en el mix que nosotros proponíamos en el post anterior la energía eólica debía producir alrededor de la mitad del total, unos 5,5 Tw de potencia media por tanto).

Como he dicho, la publicación del resumen del artículo en The Oil Drum levantó una considerable polvareda: una discusión con 463 comentarios en los que intervinimos, prácticamente en solitario en defensa del artículo, el propio Carlos de Castro, Pedro Prieto y un servidor. Las discusiones fueron muy variopintas (en algunos momentos algunos comentaristas se decantaban por echarse en los brazos de la energía nuclear) pero en su mayoría eran un regateo sobre el valor de los diversos coeficientes. Sin embargo, poca gente se dio cuenta que el factor verdaderamente limitante, el que cambia cualitativamente la capacidad de aprovechar la energía, es el primero de todos: la energía disipada en los primeros 200 metros de la atmósfera, que es de tan sólo de 100 Tw en potencia media. Al fin y al cabo, el potencial aprovechable de 1 Tw es un 1% de esta cantidad, lo cual es razonable teniendo en cuenta todas las limitaciones de accesibilidad, disposición de los molinos, usar sólo zonas de clase 3 o superior porque las de clase 1 y 2 son antieconómicas, el factor de carga y el factor de conversión. Lo que realmente supone el límite irremontable son esos 100 Tw disponibles hasta 200 metros de la superficie. Algunos comentaristas avispados identificaron que ése era el caballo de batalla real, y es de destacar que los pocos comentarios discrepantes en la web de Crisis Energética (con Alb al frente) se centran precisamente sobre ese aspecto, que es justo lo que quiero discutir hoy.

El hecho de que sólo haya 100 Tw disponibles en los primeros 200 metros de la atmósfera es lo que explica la gran diferencia entre los enfoques de abajo a arriba y de arriba a abajo. Por ejemplo, en el informe de la Agencia Europea del Medio Ambiente sobre el que me basé hace tiempo para discutir el potencial eólico de España como país autosuficiente uno ve claramente que el resto de factores discutidos tienen un valor aproximadamente igual a los que proponen Castro et al, pero a pesar de ello el potencial eólico de la Unión Europea es mucho mayor, como se ve en el siguiente gráfico (que es sólo del potencia onshore, es decir, en tierra firme, mucho menor siempre que en el mar):



En el gráfico el potencial técnico se da en teravatios·hora (Tw·h) anuales, que pueden ser transformados en potencia media equivalente a razón de 0,11 Tw de potencia media por cada 1.000 Tw·h anuales. Se ve que ya solamente con el potencial onshore de Francia y Alemania se supera el valor de 1 Tw que manejan de Castro et al. Al margen de pequeñas variaciones en los otros factores, esta enorme diferencia entre ambos estudios debe provenir fundamentalmente del único factor que de Castro et al consideran y el informe de la Agencia Europea del Medio Ambiente no: la energía total disponible hasta 200 metros.


Los enfoques de abajo a arriba se basan en la observación de ciertos puntos representativos y asumir que todo es más o menos igual en una determinada área, independientemente de nuestra actuación sobre el área en concreto. En suma, que la ubicación de un aerogenerador en un punto no perturba sustancialmente el viento salvo en la zona más próxima de la estela. Tal aproximación es correcta en tanto en cuanto el número de aerogeneradores sea pequeño y por tanto la cantidad de energía que sustraen del viento sea despreciable; sin embargo, a medida que uno hace crecer el número de aerogeneradores su efecto empieza a ser menos localizado y empieza a perturbar áreas más grandes. Ya comentamos que algunos estudios plantean que una implantación masiva de aerogeneradores podría perturbar la circulación general de la atmósfera (gracias a Ferrán tenemos varias referencias sobre estas perturbaciones del clima: una presentación de Chien Wang del MIT, un artículo de Wang y Prinn, y otro de Robin Lloyd). Cuando se plantean despliegues a escala masiva como los que se suelen describir en estudios como el nuestro del post anterior uno no puede seguir asumiendo que su impacto será despreciable o circunscrito a las relativamente pequeñas áreas en las que se centran los estudios de impacto ambiental habituales. La única manera de tener un conocimiento preciso de cuál será el impacto es mediante simulaciones numéricas en las que se introduzcan de manera realista parametrizaciones de los sistemas de aprovechamiento. A falta de tales estudios, costosos en tiempo y dinero, el argumento simple de de Castro nos da una primera idea de cuál es el potencial máximo real. Es importante resaltar esto: el estudio de de Castro et al. no es la última palabra sobre el tema, sólo un punto de arranque y un toque de atención sobre un grave error de concepto en el diseño de los sistemas de explotación de las energías renovables a escala masiva. Cuando se realicen esas simulaciones con diversos marcos conceptuales y de parametrización tendremos una idea más precisa de cuál es el potencial máximo del viento. Lo más probable es que sea del mismo orden de magnitud que lo que estiman de Castro et al., pero el conocimiento preciso del valor tiene cierta relevancia ya que no es lo mismo que resulte ser 0.5 Tw que que sea 5 Tw.


Sin embargo, hay una cierta línea argumental en contra del análisis de arriba a abajo que estamos discutiendo (defendida por varios comentaristas en The Oil Drum y por el propio Alb) que resulta fácil de desmontar. Estos comentaristas argumentan que la atmósfera no es fluido compartimentado y que si uno va extrayendo energía de la zona de 200 metros desde la superficie puede haber un bombeo desde zonas superiores, con lo que la visión de tener sólo 100 Tw accesibles es esencialmente errónea. Sin embargo lo que es más bien erróneo es tal punto de vista: debido a la rápida rotación de la Tierra la atmósfera es un fluido estratificado. Eso quiere decir que se forman verdaderas capas en las que el fluido se mueve horizontalmente (es decir, perpendicularmente a la dirección de la gravedad) y por tanto se puede hablar con propiedad de capas de la atmósfera. Por supuesto que la estratificación se puede romper en determinadas zonas y/o momentos debido a los movimientos convectivos, pero en la mayoría del fluido y la mayoría del tiempo la atmósfera está formada por capas. La capa más cercana a la superficie de la Tierra es una especial, es la denominada capa límite atmosférica inferior. En esta zona los campos de vientos de la circulación global se adaptan a la rugosidad de la superficie de la Tierra hasta llegar a la velocidad límite de cero metros por segundo justo en la propia superficie. La capa límite es altamente turbulenta y con muchos movimientos verticales, está muy mezclada; los movimientos se van tornando progresivamente más ordenados, horizontales y conformes con el estado de las capas superiores a medida que nos vamos acercando al extremo superior de la capa límite. Por tanto, la circulación dentro de la capa límite está bastante desconectada de las capas superiores y no es de esperar grandes bombeos de energía desde y hacia la capa límite salvo en las zonas convecticas. La capa límite puede tener tan poco como 50 metros de espesor como, en condiciones particulares en los trópicos, 2 km de espesor, aunque su valor típico es de unos pocos centenares de metros. Por tanto, no cabe esperar una interacción especialmente fuerte entre la zona de 200 metros que consideran de Castro et al y el resto de la atmósfera de modo que se pueda suplir la energía que se le está sustrayendo con nuestros aerogeneradores. Por otro lado, la visión "bombeo de energía" es bastante falsa sobre el verdadero papel de los aerogeneradores. A los efectos del viento los aerogeneradores son una fuente de fricción (drag o arrastre) más que disipa su energía, al igual que lo es la orografía, los bosques o los edificios. Si se aumenta mucho el arrastre de una determinada zona para una dada velocidad del viento lo que se conseguirá es que el viento esquive el obstáculo o la zona donde haya mucho arrastre (por proliferación de aerogeneradores, por ejemplo). Resultan por tanto muy difícil alterar el balance de energía total disipada en la capa de 200 metros; seguramente pueda haber algo de flujo de energía desde las capas superiores, pero por los argumentos expuestos será de menor importancia, a falta de validarlo con un modelo numérico. Por tanto la aproximación que hacen de Castro et al. de que el presupuesto energético del viento hasta 200 m es solamente de 100 Tw me parece muy razonable.

En resumen, de cara a implementar un sistema de captación de energía eólica a escala masiva este estudio muestra que es necesario hacer un análisis detallado con una perspectiva arriba a abajo para comprender el verdadero impacto de poner tantos aerogeneradores, y que la máxima potencia que podremos extraer del viento seguramente no sobrepasa significativamente 1 Tw, esto es, 14 veces menos que lo que se consume en el mundo. Y eso bajo condiciones ideales de operación.

Salu2,
AMT