Renovables vs nucleares vs combustibles fósiles

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Queridos lectores:

JotaEleEne me ha enviado un ensayo sobre el potencial comparado de las fuentes de energía renovable, las centrales nucleares y los combustibles fósiles y su eficiencia relativa. Por su general interés, creo conveniente reproducirlo en el blog.

Les dejo con JotaEleEne.

Salu2.

AMT

Renovables vs Nucleares vs Combustibles fósiles

En este trabajo vamos a reflejar el crecimiento de las distintas energías en el tiempo, según la capacidad y posibilidad de integración que han tenido y que tienen en el actual mix energético mundial.

Lo deseable sin duda es que las renovables  sean las que tomen el relevo de las otras energías, ya que a medida que pasa el tiempo cada vez se está más próximo al declive de los combustibles fósiles. Además si se quiere controlar las emisiones de gases de efecto invernadero, la mejor solución actualmente es cambiar la producción de energía hacia  fuentes renovables.

Antes de pasar a ver la evolución de las tres familias energéticas vamos a ver algunos conceptos esenciales para comprender la capacidad de desarrollo y comportamiento que tienen las distintas energías.

Pérdidas en generación eléctrica

Debido a la segunda ley de la termodinámica, la generación eléctrica tiene unas pérdidas considerables ya que toda conversión de energía arrastra consigo pérdidas. La generación con biocombustibles es la que más pérdidas produce, seguido por la energía nuclear y luego la generación con carbón. 

La siguiente gráfica refleja la energía producida en un año por cada tecnología de generación. También refleja la energía que fue útil y la que se disipo en pérdidas.

Gráfica 1: Pérdidas en generación eléctrica. Datos de AIE en mtep.

 

Si nos fijamos en la magnitud de las pérdidas, es el carbón el que más tiene ya que es la energía más usada para generación eléctrica; seguido por la nuclear y luego el gas natural.

Las pérdidas en generación eléctrica suponen el 54% de todas las pérdidas, y si a esto le añadimos las pérdidas de cogeneración entonces serían un 65%.

Algo que se observa en la gráfica es que la generación eléctrica por transformación de calor en electricidad tiene muchas pérdidas; en cambio, la generación directa de electricidad apenas tiene pérdidas.

Las pérdidas además que suponen un derroche de energía producen contaminación cuando provienen del consumo de combustibles fósiles. 

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. En el caso del sistema energético, la energía final representaría la energía útil, es decir, la energía de la que se sirve el mundo para funcionar como puedan ser la electricidad, la gasolina, el queroseno, etc. La energía primaria representaría toda la energía, o sea, la final más las perdidas. 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 2: Consumo de energía primaria, final y eficiencia correspondiente. Datos de AIE en mtep

Toda esa diferencia que vemos en aumento entre la energía primaria y final son pérdidas. De toda esa energía que se va en pérdidas, la generación de energía eléctrica supone el 65% de todas las pérdidas, seguida por la energía gastada en la extracción de combustibles fósiles  e industrias de transformación, con un 19%.

En cuanto a la eficiencia, decir que si aumenta el porcentaje de energía primaria sobre la energía final, baja la eficiencia y si aumenta el porcentaje de la energía final sobre la primaria sube la eficiencia. 

Atendiendo a la Gráfica 1 en cuanto a las pérdidas de generación eléctrica, si la generación eléctrica aumenta con combustibles fósiles o nucleares la eficiencia eléctrica bajará, y si aumenta con renovables subirá. Si se sustituye una energía de más pérdidas por una de menos pérdidas, la eficiencia subirá; por ejemplo, si se sustituye generación eléctrica de carbón por generación eléctrica de gas. 

Factor de planta

También llamado factor de carga o factor de capacidad de una central eléctrica. En la definición de la wikipedia es el cociente entre la energía real generada por la central eléctrica durante un período (generalmente anual) y la energía generada si hubiera trabajado a plena carga durante ese mismo período.

Vamos a representar el factor de planta en una gráfica formada con datos de producción y potencia instalada proporcionados por REE correspondientes al año 2018.

 

Gráfica 3: Factor de planta de centrales eléctricas renovables y nucleares. Datos de REE.

El factor de planta más bajo corresponde a la generación con biocombustibles y residuos, seguido por la solar fotovoltaica, la solar termoeléctrica, la eólica y la hidráulica con igual magnitud; y por último en el otro extremo la nuclear, con el valor más alto de todas las energías. No tiene sentido representar el factor de planta de los combustibles fósiles puesto que en España actualmente ya están de respaldo para complementar la demanda que no pueden satisfacer las renovables y la nuclear. Los datos en la gráfica en este caso no nos llevarían a ninguna conclusión. Pero de usarse de forma continua tendrían un factor de carga un poco inferior a las nucleares.

Porcentajes de consumo de energía primaria 

Gráfica 4: Evolución del porcentaje de consumo mundial de energía primaria por energías. Datos de AIE. 

En este período de tiempo de consumo creciente de energía de casi treinta años, la energía primaria ha crecido un 63%; y dentro de esta energía primaria, las tres renovables han crecido del 13% al 14%, la nuclear ha pasado del 6% al 5%, el gas natural ha pasado del 19% al 23%, el petróleo ha pasado del 37% al 32% y el carbón ha pasado del 25% al 27%.

La gráfica muestra también en el otro eje la eficiencia correspondiente. Baja en prácticamente todo el periodo salvo en el final de la gráfica, que sube coincidiendo con la bajada nuclear de Fukushima y la bajada del porcentaje del carbón posterior. La renovables de área eléctrica aumentan también al final de la gráfica, que sin duda también influyen algo en la subida de la eficiencia.

Renovables

Las renovables en el 2018 a nivel mundial supusieron el 14% de toda la energía primaria. De esta energía primaria, el 37% fue usado para generación eléctrica. Esta generación eléctrica renovable ha crecido un 212% desde 1990 y el resto ha crecido un 39%. A pesar de este enorme crecimiento, se encuentran todavía muy lejos de las otras renovables como podemos ver en la Gráfica 4. 

Poco más decir de las otras renovables que no son de área eléctrica. En el 2006 la AIE atribuía 724 mtep de consumo de uso tradicional (calefacción y cocina) , consumo en ocasiones de supervivencia y muchas veces sin planificación sostenible. Este consumo supondría aproximadamente la mitad del consumo en biocombustibles en el 2018.

La solar térmica supuso un 0,49% de la energía final y los biocombustibles un 10% de la energía final, casi todo el consumo de ambas en el sector residencial. Creciendo posteriormente en el sector del transporte los biocombustibles desde el 2005; pero de forma minoritaria, solo hasta el 3%. 

Renovables de área eléctrica

Hoy por hoy es la única posibilidad disponible para sustituir gran cantidad de combustibles fósiles por energía limpia y de forma rentable. Sin embargo, como veremos a continuación, sufren de limitaciones que hacen que el relevo se esté efectuando de forma muy lenta. A pesar de su gigantesco desarrollo, solo han hecho crecer las renovables en un 1%, como hemos visto en la gráfica cuatro.

Su limitación principal es su bajo factor de planta, esto hace que para sustituir cantidades significativas de energía hace falta que tengan una potencia instalada muy alta, es decir, tiene que haber muchos parques eólicos y fotovoltaicos para producir a la larga poca energía. Se ve perfectamente en la Gráfica 3, en la comparación de todas las renovables frente a la nuclear. Si la energía nuclear tuviera la misma potencia instalada que la eólica, España sería abastecida de energía eléctrica solamente con la energía nuclear y sobrarían todavía 42.000 GWh para exportar.

Este bajo factor de planta de las renovables es evidente, ya que las eólicas producen energía según el viento que haya, las solares producen energía según el sol que haya y las hidráulicas dependen del agua de lluvia que se dispone según las lluvias acaecidas. A esto se le llama intermitencia.

Hay otro problema con las renovables. Al tener que aumentar constantemente la potencia instalada, esto hace que llegue un momento en que, por ejemplo en periodos de fuerte viento, la producción eléctrica eólica sature toda la demanda, teniendo que mantener parte de la producción apagada, lo que se llaman vertidos. 

Para minimizar este problema, la red renovable debe de estar muy bien interconectada tanto a nivel regional como a nivel nacional y a nivel internacional para evitar que se pierdan los excedentes energéticos que el sistema produce en momentos de gran generación. Esto hace que junto al crecimiento del parque de producción renovable tenga que también crecer y mejorar la red de interconexión. En países desarrollados esto no suele ser un problema muy grande a nivel nacional, puesto que se dispone ya de una red desplegada. Solo hay que ampliarla un poco y mejorarla.  En este sentido Europa es el mayor sistema eléctrico del mundo, aunque algunos países con dificultades orográficas como España todavía se encuentran muy por debajo del límite de interconexión establecido por la UE.

Otra forma de minimizar el problema de los vertidos sería el almacenamiento de energía cuando hay picos máximos de renovables. Para ello se cuenta con centrales hidroeléctricas de bombeo y recientemente con baterías.  

A pesar de estos problemas, las renovables de área eléctrica están creciendo. Lo podemos ver en la siguiente gráfica que representa una estimación del porcentaje de cada tecnología energética dentro de la energía final de generación eléctrica y su eficiencia  correspondiente. La estimación está formada con los datos de las energías utilizadas para la producción eléctrica de energía primaria y aplicando después unos factores de conversión para cada distinta tecnología. A la gráfica se le ha añadido también en otra escala la eficiencia correspondiente de la conversión eléctrica.

Gráfica 5. Evolución del porcentaje de energía final en generación eléctrica y eficiencia. Datos de AIE.

 

Gracias a la conversión se puede ver reflejado más claramente la aportación a la energía final eléctrica de cada tecnología. Está claro que la eficiencia sube por el menor carbón, menos nuclear y por  el aumento en el mix energético del gas natural y de las renovables de área eléctrica.

La hidráulica está limitada en su crecimiento ya que depende de la limitada construcción de embalses en grandes cuencas. Los países de la OCDE hace ya dos décadas que su producción hidroeléctrica apenas sube porque ya están copadas todas las grandes cuencas, quedando por desarrollar cuencas en Sudamérica, Asia y sobre todo en África. Así que con el tiempo solamente serán la eólica y las solares las encargadas de sustituir al resto de la energía proveniente de los combustibles fósiles y las viejas nucleares. 

Como vemos la cosa va lenta: teniendo en cuenta un crecimiento exponencial al menos les quedan tres décadas para sustituir la mayor parte del mix energético, sobre todo si el consumo de energía eléctrica sigue creciendo, lo cual es el impedimento principal que evita que crezcan más rápido.

Por el contrario, en los países que disminuyen el consumo energético o con índices de la energía per cápita más bajos, su porcentaje de energía primaria renovable ya es mayor. En la UE, y considerando países de más de 17 millones de habitantes, algunos con índices de energía per cápita bajos tienen valores más altos de energía primaria renovable como es el caso de Rumanía, Italia y España. Mención aparte el caso de Alemania, que con 83 millones de habitantes y uno de los consumos de energía per cápita más altos está entre los índices más altos de porcentaje renovable; en este caso también está disminuyendo su consumo de energía, está considerado como el país más eficiente del mundo en energía. 

Podemos suponer que dándoles el tiempo que necesiten, más largo que corto probablemente, las renovables conseguirán acaparar la mayor parte de la demanda de electricidad mundial; lo cual será un logro, pero será un logro  insuficiente ya que con datos del 2018, la electricidad supone solo el 19% de toda la energía final, lo que implica que si queremos crecer con renovables tenemos que sustituir el consumo de combustibles fósiles en energía final por consumo de electricidad.

Dentro de los sectores más grandes de consumo de la energía final, la electricidad supone el 28% de la energía de la industria, el 24% en el sector residencial, 51% en los servicios públicos, y lo que es peor, el 1% en el transporte, ya que el transporte es el sector mayoritario en la energía final y el que más se resiste a la electricidad. En la siguiente gráfica vemos el porcentaje de la evolución de las diferentes energías en la energía final. 

Gráfica 6: Porcentaje de energías en la energía final. Datos de AIE.

 

En la gráfica la energía final ha crecido un 59%, y la electricidad ha crecido desde un 13% hasta un 19% en todo el periodo, crecimiento compensando un poco el declive del resto de las renovables en la energía final. De nuevo vemos una progresión demasiado lenta; también en este sentido el crecimiento de la demanda mundial hace que la sustitución de electricidad por combustibles fósiles sea más lenta.

El lento crecimiento eléctrico renovable y la menguante proporción de las renovables no eléctricas en la energía final hacen que globalmente el crecimiento total renovable solo aumente un 1% como veíamos en la gráfica cuatro.

Un crecimiento por ahora claramente insuficiente si tenemos que considerar el crecimiento de la concentración de CO2 en la atmósfera y el agotamiento de los combustibles fósiles.

Nucleares

La energía nuclear supone el 11% de la electricidad mundial, cuota actualmente en descenso, pues llegó a un máximo de 17% en el 1990 (ver gráfica 5). Las consecuencias del descenso son debidas al aumento del consumo eléctrico mundial y al estancamiento de la potencia instalada nuclear a finales de la década de los ochenta y primeros de los noventa, poco después del accidente nuclear de Chernobil. Hay otro punto de inflexión a partir del 2011 con el accidente nuclear de  Fukushima que trajo el parón nuclear de Japón con el posterior desmantelamiento de 19 reactores, y con Alemania anunciando su intención de cerrar su generación nuclear en una década. 

Como se puede ver, la única causa del ocaso actual de la generación nuclear es su peligrosidad. La seguridad de los reactores nucleares se basa en conocer y evitar los posibles riesgos con medidas pasivas y activas. Cualquier riesgo desconocido, inesperado y no contemplado puede producir un desastre como pasó en Fukushima.

Otro problema de la energía nuclear es su escasa expectativa de evolución hacia algún otro tipo de reactores. El 67% de los reactores son del tipo PWR, y de los nuevos reactores serán el 81% también PWR. Este tipo de reactor es más estable, y se ve que la industria nuclear no se quiere arriesgar más de lo necesario con la seguridad. La única opción a largo plazo que queda es la fusión nuclear, si es que llega a hacerse realidad alguna vez, ya que llevan 70 años intentándolo; y como ya va siendo costumbre, todavía le quedan 30 años.

A pesar de todo esto, la tecnología nuclear se resiste a desaparecer. Hay 53 nuevos reactores en construcción liderados por China, India, Rusia, Eslovaquia, Corea del Sur y Emiratos Árabes con 33 reactores. Y en cuanto a los ya existentes la tendencia que está marcando EEUU es la continuidad de sus centrales con autorizaciones  para operar de forma segura, 60 e incluso 80 años. Bajo mi punto de vista sorprendente, ya que  alargando el periodo de vida de las centrales se da más oportunidad de que ocurra un evento inesperado que pueda causar un desastre.

Actualmente las renovables son un éxito y muy probablemente sean más rentables que las nucleares. ¿Por qué entonces China y EEUU, líderes destacados en cuota de producción renovable mundial, se empeñan en construir nuevas centrales y mantener las antiguas?. Sin duda por la lenta penetración renovable en el mix energético de ambos países. Las nucleares, en este caso con su alto factor de planta y su nula contaminación atmosférica, evitan emisiones de CO2  que producirían las térmicas de combustibles fósiles mientras van llegando las renovables.

La energía nuclear produce energía eléctrica transformando calor en electricidad al igual que los combustibles fósiles. Esto produce muchas pérdidas. Como las nucleares generan más calor que las demás, pues tienen más pérdidas (gráfica 1). Sin embargo esta generación de calor no produce contaminación en el aire como en el caso de los combustibles fósiles. 

La energía nuclear es la energía con mayor factor de planta (ver gráfica 3), ya que se hace una carga de combustible nuclear cada doce o dieciocho meses y funciona el resto del tiempo a plena carga. Esto hace que con poca potencia instalada, en el caso de España 7 reactores nucleares y habiendo cerrado uno en el 2012, dominen desde hace una década el mix energético del país Salvo en el 2013 que la eólica superó por muy poco a la nuclear (España se convirtió en el primer país del mundo en que la eólica superó en un año a la nuclear). Teniendo en cuenta que la potencia instalada eólica ha crecido en esta década en seis años y no se ha repetido el evento, nos da un buen ejemplo de la intermitencia que sufren las renovables de área eléctrica. 

Por lo demás las nucleares tienen la misma limitación que las renovables de área eléctrica, solo el 19% de la energía final es electricidad. En el post “Pérdidas crecientes en el sistema de abastecimiento energético mundial” veíamos como Francia el país más nuclearizado del mundo, tenía en comparación con otros países similar o incluso inferior proporción de electricidad en la energía final que otros países desarrollados.

Combustibles fósiles

Las renovables y la nuclear suponen el 19% del consumo de energía primaria, así que son los combustibles fósiles los que se encargan de abastecer todo el resto del consumo mundial de energía. 

Los combustibles fósiles son energía pura, con simples máquinas termodinámicas se extrae energía y trabajo fácilmente de ellos. Han favorecido el crecimiento económico mundial y con ello el progreso del mundo, hasta el punto de que incluso un solo combustible, el carbón, ha sido en las últimas dos décadas el impulsor del PIB mundial. En la siguiente gráfica lo podemos ver. 

Gráfica 7: Comparativa del crecimiento del PIB mundial con el consumo mundial del carbón. Datos de BP.

 

 

Si se compara el crecimiento del PIB con cualquier otra energía e incluso con el total del consumo de energía primaria, las gráficas serían muy diferentes; en cambio, si se compara con el consumo de carbón, vemos que en los últimos 25 años son muy similares, hasta en las pendientes. Parece claro que en los últimos 25 años ha sido el crecimiento del carbón el que ha liderado la economía mundial a través de  China e India, ya que estos dos países consumen el 64% del carbón mundial, liderando China con un 52%. 

Antes del carbón fue el petróleo el que lideró el crecimiento de la economía, pero después de las dos crisis del petróleo del siglo pasado en el 73 y el 79, el petróleo fue quedando aislado en solo dos sectores, el transporte y los usos no energéticos. 

Cuando son fáciles de extraer, los combustibles fósiles son baratos y su crecimiento se puede adaptar perfectamente a fuertes incrementos del consumo. Lo hemos visto con el crecimiento del carbón en China. Y también en Japón, que en solo tres años el gas natural sustituyó todos los reactores nucleares parados a raíz del accidente de Fukushima, mientras que Alemania lleva diez años sustituyendo sus reactores nucleares por renovables. 

Los combustibles fósiles fueron el motor de crecimiento de los países desarrollados en el siglo pasado y actualmente son el motor de crecimiento de los países emergentes, como podemos deducir de la anterior gráfica.

El problema de los combustibles fósiles es que aunque son abundantes, con el uso masivo de estos cada vez se está más cerca de llegar a su agotamiento y posterior declive. De hecho, la AIE ha reconocido que el petróleo convencional llegó a su cenit en el 2006. Hoy la producción de petróleo consigue mantenerse gracias a la aportación de petróleos no convencionales como el fracking o las arenas asfálticas de nula o menor rentabilidad, ya que se trata de petróleos más difíciles de extraer.

Las reservas de combustibles fósiles más abundantes son las de carbón, precisamente el combustible fósil que más CO2 emite. Intentando evitar el calentamiento global, la mayoría de países están evitando el uso del carbón, salvo algunos pocos países liderados por China e India que siguen aumentando el uso del carbón. China está consiguiendo reducir el uso del carbón en su industria; sin embargo, para producción eléctrica sigue incrementando su uso a pesar de ser el líder en instalación de renovables de área eléctrica y nucleares. El brutal crecimiento energético de China hace pequeño el crecimiento renovable y nuclear, teniendo todavía que recurrir al carbón masivamente para generación eléctrica. Y la India está siguiendo iguales parámetros de crecimiento que China.

Las mayores reservas de carbón del mundo las tiene EE.UU. Actualmente EE.UU. está reduciendo mucho la aportación de carbón en generación eléctrica gracias al gas natural extraído por fracking. Las renovables de área eléctrica también están aportando, pero en mucha menos proporción que el gas natural. ¿Qué pasará cuando se agote el fracking, muy posiblemente en esta década? ¿EEUU importará gas natural de otros países o volverá a su barato y abundante carbón? Me da que lo segundo.

Conclusiones

Tarde o temprano habrá que sustituir los combustibles fósiles, bien por motivos medioambientales, bien por agotamiento. El problema es que solo se dispone para ello de renovables de área eléctrica con un desarrollo a nivel global muy lento, y lo que es peor, hay que desviar el 70% de la energía final hacia la electricidad.

Semejante reto parece imposible de afrontarse si no es con cambios profundos en el modo de vida de las sociedades modernas y desarrolladas.

Estamos en las primeras fases del cambio, pero si no se consigue en el tiempo apropiado, con el agotamiento del petróleo y el gas natural, existe el peligro de volver de forma masiva al contaminante carbón y a las peligrosas nucleares.

Intentándolo

Con el acuerdo de París, la UE se compromete a lograr una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero de al menos un 40 %, también el seguir reduciendo la eficiencia energética y alcanzar un 32% de energía renovable para el 2030. Con este acuerdo también se pretenderá aumentar la seguridad energética, es decir, mejorar las interconexiones entre los países de la UE, y la disminución de importaciones de petróleo y gas. 

Y por último,  se pretenderá la implicación de los consumidores como productores, almacenadores y responsables en el consumo de energía.

Será interesante ver la evolución de la UE en general y de España en particular, ver desde donde se parte y hasta donde se puede llegar.

Pero eso será en otros post.

Saludos.

JotaEleEne