Relatos de un ingeniero en transición (volumen 2)

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Queridos lectores:

Después de un receso estival, volvemos a la carga con la segunda entrega del relato de Cabulco sobre sus sinsabores como ingeniero concienciado que intenta llevar la transición energética y ecológica hacia algún lugar que tenga sentido. Como la primera, muy interesante.

Les dejo con Cabulco.

Salu2.

AMT

Relatos de un ingeniero en transición (volumen 2).

Por Calbuco

 

Resulta muy interesante analizar el giro y cambio de discurso que han tenido las grandes empresas eléctricas de este país en los últimos tres años a tenor del cambio climático y las energías renovables. El mismo día que se aprobó el RD 244/2019, que impulsaba el autoconsumo eléctrico y derogaba el impuesto al sol, una de estas empresas anunciaba por televisión la posibilidad de instalarse placas solares junto con un eslogan muy pegadizo. Es natural, aunque paradójico, que estas grandes corporaciones busquen aumentar beneficios a costa de mitigar emisiones que ellas mismas generaron en un pasado no muy lejano. Verde que te quiero verde, titulaba Eduardo Galeano a un cuento corto, haciendo homenaje a García Lorca, sobre lo que luego se denominaría greenwashing. Y esto no había hecho más que empezar.

Tras el verano de 2019, una de estas grandes y verdes utilities (le llamaremos X) nos contactó para estudiar varios proyectos de autoconsumo en gran parte de sus centrales de generación fósil repartidas a lo largo del territorio español. La primera reunión con X estuve con un compañero frente a seis empleados de la central. Nos explicaron el alcance del proyecto, plazos de ejecución y el modo de presentar la propuesta técnica - económica para que en unos meses se lanzara una licitación privada. Es decir, antes de nada, contactan con empresas especialistas para que diseñen las diferentes opciones y luego se plasman en unas bases técnicas y económicas. Hasta aquí, todo normal, si no fuera porque todo el trabajo que implica preparar una propuesta de este tipo no está remunerado de ninguna de las maneras.

Pero claro, como le vas a decir que no a X. Tras visitar las centrales (tres ciclos combinados y una nuclear) tuvimos que participar en cuatro licitaciones diferentes que, además, se publicaron prácticamente en el mismo espacio de tiempo. Para más inri, coincidió con el confinamiento más duro que sufrimos el pasado 2020. Las fases de licitación para cualquier actividad con X son muy claras. Un primer corte técnico donde los “especialistas” evalúan si la propuesta enviada cumple con los aspectos principales de producción, tecnología, implantación, etc. Pongo las comillas en especialistas porque en este caso, los que supervisaban las propuestas, eran los responsables de las diferentes plantas de generación fósil. Unas cuantas videollamadas fueron necesarias para explicar a técnicos nucleares como funcionaba una planta de autoconsumo fotovoltaico y por qué los módulos bifaciales no eran rentables para determinadas potencias. La actividad en X se divide en generación fósil y renovable. Posiblemente, la división de renovables, con su actividad frenética en batir récords de potencia instalada en la península, no tenia tiempo para gestionar migajas de megavatios y cedió toda la responsabilidad a los técnicos de las plantas de generación contaminantes. Eso sí, la poca información que manejaban estos técnicos se basaba en grandes plantas fotovoltaicas y nada tenían que ver con proyectos de autoconsumo. Tal era su desconocimiento de las posibilidades del autoconsumo, que lo que en un principio iba a ser un proyecto de autoconsumo sin excedentes, con el fin de cubrir los consumos auxiliares de la central, se convirtió (burocrática y técnicamente) en un proyecto de conexión a red. Toda la energía generada se vertería en las barras de transporte con el resto de MWh de origen fósil para recorrer cientos de kilómetros. Pero el slogan de X remarca la importancia del autoconsumo en sus plantas fósiles. La revolución ha llegado.

Una vez recibimos las bases técnicas y demás documentos corporativos de X, comenzaba la cuenta atrás para presentar nuestra mejor propuesta. El documento “Criterios de diseño” reflejaba el trabajo de varias videollamadas y las recomendaciones técnicas que habíamos sugerido en las últimas semanas. Imagino que otros contratistas aportaron su granito de arena, pero la gran mayoría de aspectos técnicos era cosecha propia. Ahora nos tocaba ofertar ciñéndonos a todos los documentos que X obligaba seguir al pie de la letra. De hecho, en caso de sugerir alguna modificación, existe una tabla de desviaciones donde hay que incluir el documento, página y párrafo que cumple con tu oferta y firmarlo para que quede registrado. Todo muy formal y riguroso, aparentemente. Pero lo divertido llegó en la segunda fase, la sección económica. Desde la sección de compras en Madrid convocan una reunión para revisar los precios estimados y te dicen qué porcentaje estas por encima del contratista más barato. En nuestro caso era un 25 % por encima. Revisando partida por partida, la encargada del “regateo” por parte de X nos indicó que en la parte de estructuras y obra civil estábamos por encima de la media. Pregunté sin tapujos si el resto de contratistas estaban ofertando estructura metálica, tal y como indicaban las bases técnicas, con su correspondiente hincado directo y/o pre-taladrado en caso de ser necesario. Mi sorpresa fue cuando, por parte de Compras, me invitaron a contactar de nuevo con los responsables técnicos para verificar esa información. Al cabo de 20 minutos tenia un correo solicitando una revisión de mi oferta con estructura no metálica. Obviamente esto suponía que alguien había hecho trampas, no cumpliendo con los requisitos técnicos y que X lo había consentido sin avisar a otros contratistas, como era nuestro caso. La noticia en nuestra dirección sobre estos trapicheos no sentó nada bien. Aun así, seguimos en el proceso. Conseguimos mejorar hasta un 18 % con respecto a la anterior oferta. Pero no fue suficiente. Al contrario de lo que defendían algunos expertos en contratos con X, se acabó adjudicando a la empresa más barata. Y todo el trabajo previo, de nuevo, no sirvió para nada. Sólo para hacerle el trabajo sucio a los técnicos de X, responsables de la licitación. A día de hoy, me consta que la ejecución del proyecto está parada por permisos relativos a la excavación de tierras. Desde mi equipo avisamos ese posible problema, pero claro, eso suponía más euros en el contrato.

Cambiando a otra super compañía generadora, distribuidora y comercializadora de electricidad, nos encontramos con Y. Mis primeras relaciones con Y fueron bastante agresivas. Me contactaron directamente para firmar un NDA (Contrato de confidencialidad) sujeto al estudio de varios proyectos estratégicos. Inicialmente nos reunimos en Madrid, pero tuvimos otras reuniones en Barcelona y Sevilla. Llegué a conocer a más de diez responsables/directores/heads/managers del área de negocio (así lo llaman en Y) relativo al autoconsumo y generación distribuida. Era curioso ver el cambio de Y a los nuevos tiempos, pero también era sospechoso observar que ninguno con los que trataba tenía las ideas claras sobre la energía solar fotovoltaica. En los primeros estudios nos solicitaron presentar oferta para realizar un EPC, pero en el último momento cambiaron el alcance a BOP. Para los que desconocen la jerga, EPC comprende el alcance completo de un contrato de construcción (Ingeniería, adquisición de equipos y construcción), mientras que el BOP se limita a la instalación. Esta es una practica habitual de X e Y en los grandes proyectos. Exprimen desde el minuto uno justificando que es EPC y cuando no puedes ajustar más margen y has puesto las cartas sobre la mesa, te cambian a BOP. ¡Abran juego, señores!

Tras varias propuestas y muchas reuniones, nos plantearon ofertar instalaciones de autoconsumo en base a un preciario cerrado. El desconocimiento de la casuística en instalaciones de autoconsumo era tal que, por mucho que insistíamos en que era inviable ceñirse a un preciario sin tener en cuenta las particularidades de cada emplazamiento, seguían erre que erre. Al igual que con X, las bases y especificaciones técnicas eran heredadas de grandes plantas y la normativa, poco o nada tenía que ver con proyectos de autoconsumo. La estrategia de Y consiste, hasta el momento, en lanzar preciarios a todos los comerciales que conservan en activo y bombardear a clientes de suministro eléctrico existente. Poco importa que oferten al mismo cliente que, por tu cuenta, como contratista “independiente”, has encontrado, y obviamente existe un NDA que les sirve para hacer aviones de papel. En caso de que piquen el anzuelo, contactan al contratista más barato que haya rellenado el preciario, a ver si hay suerte y no se desvía mucho del precio inicial. ¿Para qué formar equipos especialistas en diferentes áreas de negocios? ¿Para qué aportar un valor añadido a la sociedad aprovechando los ingentes recursos económicos y humanos? ¿Para qué cambiar de modelo si este funciona de maravilla? Pues estas y muchas otras preguntas me hacía en las videollamadas eternas con Y que nunca acababan de concretar nada. Como anécdota personal, hace unas semanas me contactaron unos agentes comerciales que trabajan indirectamente para Y. Querían saber la disponibilidad de unas pequeñas tierras, heredadas de mis padres, para la implantación de un gran proyecto de Hidrógeno. Estuve más de media hora al teléfono para sacar la máxima información posible. En resumen, pretenden hacer una instalación de “autoconsumo” de más de 1GW de potencia fotovoltaica conectada a una planta que produzca cantidades enormes del gas de moda. Que el lugar sea posiblemente de los más remotos y poco comunicados de España da igual. Que las necesidades energéticas locales sean ridículas en comparación a la producción de hidrógeno también importa poco. Por suerte, a día de hoy, unas cuantas plataformas están en pie de guerra contra este tipo de proyectos tan alejados de la realidad y tan innecesarios en ese contexto y a esa escala. El debate generado ante esta tendencia de reventar territorio a costa de todo, está surtiendo efecto y algunos fondos de inversión parece que empiezan a dudar. Las energías renovables deben seguir desplegándose por el territorio, en eso no hay debate, pero debemos reflexionar y revisar el cómo y el para quién.

Podría seguir alargando la ecuación con otras incógnitas que representen a grandes compañías eléctricas o incluso petroleras, pero no vale la pena seguir destapando sus formas tan poco elegantes (quedémonos aquí) de actuar sin reflexionar y plantear una alternativa a cómo confrontarlas en la transición energética que tenemos delante. Y sí, a todos los que estamos en el sector, nos llena de rabia las jugarretas que hacen a su antojo. Más todavía desde dentro, cuando conoces su funcionamiento, pero quizá el oligopolio que se han montado tiene sus días contados. Y en esto, el autoconsumo fotovoltaico tiene mucho que ver. En concreto el autoconsumo colectivo, que servirá de catalizador para las comunidades energéticas locales. 

Los escenarios que se plantean a corto y medio plazo no son buenos. Los lectores habituales de este blog lo saben. El cambio climático puede golpear fuerte y de nosotros depende cómo combatirlo, o al menos, cómo protegernos de los peores augurios. El tejido eco social será fundamental y las comunidades energéticas, que poco a poco van surgiendo en todo el país, pueden ser una muestra del futuro a seguir. Obviamente, queda mucho camino que recorrer. El autoconsumo colectivo tiene que superar los 500 metros de distancia máxima entre generación y consumo. Los coeficientes de reparto deben fijarse de la manera más dinámica posible y así, evitar excedentes de producción y por tanto, tener instalaciones más eficientes. Se debe ampliar a que las llamadas instalaciones próximas, incluyan aquellas con media tensión y no sólo las conectadas en BT. El acceso a las redes de distribución debe pasar a manos de la ciudadanía, para acceder a los datos y así gestionar la demanda de forma más ágil y transparente. Si conseguimos hacer realidad estas demandas, y muchos colectivos están empujando por conseguirlo, habremos ganado unas cuantas batallas a “X”, “Y” y todo el enjambre económico que se beneficia de nuestros derechos energéticos. Mientras escribo estas líneas (junio de 2021), se estrenan las nuevas tarifas eléctricas y los chascarrillos sobre cuando poner la lavadora ya empiezan a cansar. Hay mucho por hacer pero también, poco a poco, se están consiguiendo cambios en el sector eléctrico que años antes eran impensables. Entre ellos, paralelo al hecatombe de las nuevas tarifas, se ha propuesto un anteproyecto que pretende regular los conocidos como “beneficios caídos del cielo” a algunas de estas eléctricas y dará paso a limitar que plantas de generación sin emisiones cobren derechos de emisión. Sigue como asignatura pendiente revisar el sistema de casación que otorga beneficios a los de siempre. Pero soy optimista y quiero creer que el modelo está cambiando.

Cambia, todo cambia y el modelo empezará a cambiar y será la ciudadanía quien gestione la energía eléctrica. Y este será el primer paso. Las comunidades energéticas tienen que hacer honor a su apellido y la electricidad es uno de otros componentes de la energía final. Podremos gestionar en comunidad las necesidades térmicas, nuestros alimentos, el transporte o incluso la gestión del agua. Quizá es demasiada presión, pero de nosotros depende que las grandes corporaciones no nos pasen por encima, gestionando fondos públicos para ejecutar sus instalaciones faraónicas y que el beneficio real se lo repartan unos pocos. 

Si existe una voluntad colectiva para transitar hacia un modelo más sostenible y sensato, ganaremos todos. El camino no será nada fácil, pero creando comunidad y replicando modelos, que ya comienzan a florecer, nuestra adaptación a las futuras crisis que están por venir será menos ardua. Seguramente esta forma de organización energética de paso a otras organizaciones colectivas que nos hagan replantearnos el actual modelo económico y social. Y puede, también, que todos estos cambios tan complejos consigan culminar una transición ecológica en manos de la ciudadanía y de muchas pequeñas comunidades de personas con ansia de cambio y ganas de dejar algo mejor.

Limitaciones geofísicas al potencial eólico global

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Queridos lectores:

Siguiendo con la discusión en las redes sobre las limitaciones en el aprovechamiento de la energía renovable, uno de los puntos que ha causado bastante fricción últimamente es la referencia que yo suelo hacer al artículo de Carlos de Castro, Margarita Mediavilla, Luis Javier Miguel y Fernando Frechoso que fue publicado en la revista científica Energy Policy en octubre de 2011. En este artículo, Carlos de Castro y sus colaboradores estiman cuál es el potencial eólico global utilizando una aproximación novedosa en estos análisis, la denominada aproximación top-down o "de arriba a abajo", en oposición al enfoque habitual bottom-up o "de abajo a arriba". De acuerdo con los cálculos y las hipótesis que los autores detallan exhaustivamente en el artículo, ellos llegan a estimar que el máximo potencial energético de la energía eólica a escala global es de 1 TW de potencia media equivalente (es decir, 8.760 TW·h de energía anuales). Dicho potencial parece alarmantemente bajo a los defensores del modelo imperante de transición energética, ya que tienen claro que con la energía solar es difícil generar tanta energía como desean y que por fuerza tendrán que recurrir a la eólica. Pero es que 1 TW de potencia media equivalente representa tan solo el 6% de todo el consumo de energía anual, y de ese modo todo el sueño de la transición que no será quedaría truncado. Por ello, no es sorprendente que yo haya recibido furibundas críticas por basarme en el trabajo de de Castro et al, que van desde comentarios más bien bobalicones (literalmente, "ese trabajo es más viejo que los leones de las Cortes" - cuando es de 2011) hasta críticas más elaboradas pero poco fundadas técnicamente, que aluden al hecho de que el trabajo de de Castro et al asume que solo se puede acceder a los 200 primeros metros de la atmósfera cuando ahora ya se están proyectando aerogeneradores más altos e incluso se plantea llegar a  construir algunos de 500 metros de altura. La idea repetida es que este artículo está muy desfasado gracias al "gran progreso tecnológico de los últimos años", meme caro a los proponentes de la transición imposible, que usan para justificar por qué si su sistema era tan bueno hasta ahora no se había hecho.

El trabajo de de Castro et al, como todos los análisis científicos, tiene sus limitaciones, que ellos definen muy bien a lo largo del artículo, al margen de otras que pudieran ser descubiertas más tarde. La ventaja de trabajos bien hechos como éste es que todas las hipótesis están bien formuladas, con lo que resulta fácil revisar, ampliar y corregir el trabajo a medida que nuevos datos vengan a confirmar o desmentir algunas de esas hipótesis. Trabajos posteriores al de de Castro et al amplían el potencial eólico terrestre introduciendo otros factores de consideración, sin que cambie el hecho esencial de que éste es mucho menor que las barbaridades que proponen, entre otros, Mark Jacobson.

En el post de hoy pretendo discutir una serie de consideraciones sobre la mecánica de fluidos geofísicos y en particular de la atmósfera terrestre. Son cuestiones muy simples y fáciles de entender, y que permiten desmontar el mito de la energía eólica infinita para empezar a aterrizar la cuestión en los términos razonables que se debe discutir. Estas cuestiones, además, reivindican la validez y pertinencia de los dos puntos clave el trabajo de Carlos de Castro, Margarita Mediavilla, Luis Javier Miguel y Fernando Frechoso, a saber: la necesidad de utilizar un enfoque top-down y el papel fundamental de la capa límite atmosférica. Cuestiones éstas que nada tienen que ver con el presunto progreso en la tecnología de los aerogeneradores pues refieren al funcionamiento de la atmósfera en el planeta Tierra y que van a afectar a cualquier sistema de captación eólica.

Comencemos.

Para entender la diferencia entre el enfoque top-down y el enfoque bottom-up usaré un ejemplo sencillo, extremadamente simplificado.

Imagínense Vds. que tenemos un curso de agua, en el cual el agua se mueve a una velocidad constante, vamos a decir, a 10 kilómetros por hora.

Queremos aprovechar la fuerza del río y medimos la velocidad del agua en este tramo: en todos los sitios nos sale que el agua avanza a 10 kilómetros por hora. Por tanto, si ponemos muchos molinos en este curso de agua podremos generar mucha energía, ya que en cada punto tendremos un curso del agua con esa velocidad. Por tanto vamos e instalamos el primer molino en el curso alto. Es un molino muy grande, que aprovecha una parte muy grande de la energía de nuestro curso de agua. Una vez en marcha, vemos que, efectivamente, nuestro molino nos produce toda la energía que teníamos previsto. Sin embargo, pasa algo que no nos esperábamos.

 

Nuestro molino es tan grande y tan eficiente, y el curso es tan chico que, después del molino, el agua ya no va tan deprisa como antes. Nos encontramos que, más abajo del molino, el agua va ahora a 7 km/h. 

Es un contratiempo que, bueno, con esa velocidad aún podemos trabajar, así que instalamos un nuevo molino más abajo del primero.

Ahora el agua que llega al curso bajo va tan solo a 4 km/h, pero nadie puede detener el progreso, así que vamos e instalamos un tercer molino.

Ahora el agua sale del tercer molino a una velocidad de solo 1 km/h y ya no nos podemos plantear poner un molino más. Si lo hiciéramos, el agua ya no tendría suficiente fuerza para mover las palas, se acumularía y acabaría por desbordarse por los lados (de hecho, en realidad después de cada molino el cauce se ensancha para que se verifique la ecuación de continuidad) . Hemos saturado la capacidad del curso de agua de darnos energía instalando muchos menos molinos de los previstos. Encima, la cantidad de energía que nos producen los que sí hemos instalados también es menor de la prevista, porque el segundo molino produce bastante menos que el primero, y el tercero aún menos que el segundo.

Este ejemplo sencillo y muy diferente de la realidad eólica (los vientos se mueven en 3 dimensiones, mientras que en el ejemplo solo hay 1) nos muestra sin embargo cuál es el problema de la aproximación botton-up, que es la más comúnmente usada. En la aproximación botton-up se asume que los aerogeneradores no interactúan entre ellos. Se entiende que la distancia entre distintos parques eólicos es tan grande que los efectos de interferencia mutua, de estela, son despreciables. Eso es adecuado cuando estamos pensando en instalar una cantidad relativamente pequeña de aerogeneradores, pero cuando los planes de transición energética para el mundo contemplan la instalaciones de millones de aerogeneradores, uno no puede tan alegremente despreciar estas interacciones, y debe por tanto usar la aproximación top-down. En la aproximación top-down, uno evalúa cuál es la cantidad de energía accesible en la atmósfera y estima cómo se puede llegar repartir entre los diferentes sistemas, partiendo de consideraciones técnicas sobre su distribución (incluyendo qué ubicaciones son accesibles, cuáles tienen más potencial, y no interferir con determinados procesos geofísicos y biológicos en los que el papel del viento es importante).

El problema de la interferencia entre aerogeneradores no es una curiosidad académica, sino algo que se tiene muy en cuenta a diversas escalas. Por ejemplo, cuando se diseña un parque eólico, los aerogeneradores de ese parque se distribuyen en una rejilla orientada según la dirección del viento predominante en esa zona, y se deja una separación entre aerogeneradores que es 4D (donde D es el diámetro del aerogenerador) en la dirección perpendicular a la del viento dominante, y de 7D en la dirección que sigue al viento dominante. Eso se hace así, desde siempre, no por capricho, sino porque ya se sabe que cada aerogenerador genera una estela turbulenta que perjudica a los que tenga detrás, y se ha comprobado experimentalmente que el flujo del viento se recupera cuando se respetan estas distancias (4D en la perpendicular, 7D en la dirección a favor del viento). El problema es que la interferencia no solo se da a pequeña escala entre los aerogeneradores de un mismo parque eólico, sino también entre parques eólicos diferentes. Por ejemplo, a la presentación de nuevos proyectos de parques eólicos en Navarra, Acciona ha presentado alegaciones ya que los nuevos parques disminuirían la producción de los existentes (por supuesto, propiedad de Acciona). Y el problema se extiende a mayores escalas: un reciente estudio sobre los parques eólicos en el Mar del Norte observa efectos de interacción a decenas de kilómetros de distancia que han llevado a que el potencial eólico actual de los parques instalados sea hasta un 25% inferior al que estaba previsto.

Vamos ahora con la segunda cuestión que limita el potencial eólico: el comportamiento de la capa límite atmosférica.

La capa límite es una zona que se extiende desde la superficie de la Tierra hasta una altura variable, típicamente de unos centenares de metros. En esta zona la velocidad del viento se va adaptando desde los valores, generalmente muy elevados, que tiene en la alta atmósfera, hasta el valor nulo que debe tener el viento justo cuando toca la superficie de un sólido. En definitiva, la atmósfera se estructura en dos zonas: una superior, en la que el aire no interactúa con la superficie terrestre y que tiene velocidades más elevadas porque la fricción interna del aire (por el choque de sus moléculas) es muy pequeña, y una inferior, la capa límite, donde la elevada fricción del aire con la superficie terrestre genera un proceso de disipación de energía muy intenso. El tamaño de la capa límite y su estructura (laminar o turbulenta) depende de la temperatura, la cizalla del viento, la geometría local de la superficie terrestre y otros parámetros.

En el artículo de de Castro et al, se centran en la parte inferior de la capa límite, que es donde se produce la mayoría de la disipación de energía, y toman un valor de referencia de 200 metros, considerando que hasta mediados del siglo XXI el tamaño promedio de los aerogeneradores instalados y funcionando no superará esta altura. Por ese motivo, los detractores de este trabajo consideran que se quedó muy corto y que está desactualizado, ya que no contemplaba la existencia de aerogeneradores más altos. Sin embargo, no tienen en cuenta tres cosas. La primera es que el propio artículo considera probable que se desarrollen aerogeneradores de más altura (y menciona algunos desarrollos), pero que éstos no serán aptos para todas las localizaciones y que en todo caso lo que ya está instalado se mantendrá hasta que sea decomisionado, con lo que la altura media de todos los aerogeneradores en funcionamiento no superará los 200 metros. La segunda cuestión es que la parte de la capa límite donde se disipa más energía es justamente la que está más cerca de la superficie, así que subir la altura de los aerogeneradores daría como mucho acceso a un poco más de energía disipada (ahora explicaré por qué lo importante es la energía que se disipa). Y la tercera cuestión es que, cuando uno introduce nuevos elementos sólidos fijados al suelo lo que está haciendo es "empujar hacia arriba" la capa límite, sin que necesariamente aumente la cantidad de energía que se disipa en ella: si la superficie de la Tierra se elevase 200 metros respecto al nivel actual no tendríamos acceso a los vientos más fuerte de mayores altitudes, sino que  se configuraría una nueva capa límite con la misma altura de la actual, separando la alta atmósfera de la baja.

Y es que la presencia de aerogeneradores perturba la capa límite, aumentando su extensión espacial sin que ello signifique que su flujo de energía sea mayor. En este artículo de Richard Stevens y Charles Meneveau podemos encontrar un esquema de la interacción de la capa límite con un campo de aerogeneradores.

 

Si se fijan en el lado de la derecha, una sucesión de aerogeneradores de una altura significativamente menor a la de la capa límite acaban elevando la capa límite planetaria. Eso es debido a que los sucesivos aerogeneradores le van detrayendo energía al viento a su altura y eso al final provoca que haya una inyección de energía desde alturas mayores pero dentro de la capa límite (las fechas rojas en la parte de la derecha). Como se ve en la figura, los aerogeneradores crean su propia capa límite interna, que acaba ocupando la mayoría de la capa límite planetaria. Si ponemos aerogeneradores de mayor tamaño, lo único que vamos a conseguir es expandir el tamaño de la capa límite, sin que la cantidad de energía accesible aumente. Vamos a gastar mucho más cemento, acero y neodimio para tener la misma densidad de energía producida por metro cuadrado de instalación que con aerogeneradores más pequeños.

No hay manera de acceder a la energía de las capas altas de la atmósfera por definición: cualquier elemento anclado a la superficie terrestre deformará la capa límite para garantizar esa separación entre la alta y la baja atmósfera. Es como si la capa alta de la atmósfera fuera aceite y la baja agua: siempre se separarán.

Una cuestión que queda abierta es si se puede forzar un incremento de la transferencia de energía entre la alta y la baja atmósfera con aerogeneradores adecuados (por ejemplo, muy altos). De manera intuitiva, se puede asegurar que esas transferencias serán muy pequeñas porque, de otro modo, se alteraría la circulación y se generaría un desbalance energético. En el planeta Tierra los vientos se producen por el calentamiento de la superficie por los rayos del Sol: como la atmósfera es muy transparente, la mayoría de la radiación solar llega a la superficie terrestre, que se calienta y calienta el aire que tiene encima, favoreciendo que ascienda y que el aire de zonas circundantes no tan caliente ocupe su lugar: eso es el viento. Esa energía cinética que el Sol induce en la atmósfera debe ser disipada de alguna manera, porque si no los vientos serían cada vez más intenso, y efectivamente se disipa, en forma de calor, por la fricción interna del aire (viscosidad) y sobre todo por la fricción con la superficie. Por eso la capa límite es tan importante. Al introducir los aerogeneradores, nosotros estamos intentando que la disipación de la energía del viento que se produce por fricción de manera caótica y homogénea en toda la superficie terrestre se dé de manera ordenada en nuestros aerogeneradores para generar electricidad. Y ciertamente podemos hacerlo, pero solo podemos disponer del flujo de energía que se disipa en la capa límite: 100 TW según el cálculo de de Castro et al. Teniendo en cuenta dónde se puede físicamente colocar aerogeneradores, cuáles son las zonas donde sale más a cuenta, y la eficiencia en la transformación de la energía mecánica del viento en electricidad (con estimaciones en general conservadoras y optimistas) es como se llega a ese valor de 1 TW. Poniendo aerogeneradores de mayor altura podríamos quizá incrementar ese potencial, pero de manera marginal - en todo caso, sería necesario hacer un estudio mucho más detallado, con un modelo numérico de dinámica atmosférica, para estimarlo con precisión. Para acabarlo de complicar, el flujo energético de la capa límite se divide en regiones casi inconexas por culpa de los patrones de circulación de la atmósfera, y solo podremos sacar energía de esas regiones: para cada una de ellas, hay una cantidad máxima de energía disponible, y poner más aerogeneradores lleva a que se la repartan entre todos, tocando cada vez a menos por cada uno de ellos (como el estudio del Mar del Norte que citaba antes ejemplifica).

Y por si todo esto no fuera complicación suficiente, el cambio climático probablemente va a modificar los patrones de circulación del viento: dónde sopla, con qué intensidad, y cuál es la dirección dominante en cada lugar. Por ejemplo, se está observando que el viento sopla cada vez con mayor intensidad en el mar y con menos intensidad sobre tierra, por razones que seguramente de nuevo tienen que ver con la estructura de la capa límite.

Dicho todo lo cual, está claro que el valor de 1 TW de potencia media que estiman de Castro et al es simplemente una primera aproximación. En su trabajo hacen muchas hipótesis y la cifra final puede ser mayor o inclusive menor, pero eso no es lo importante de ese trabajo. Lo importante es que pone el foco en aspectos de este análisis antes ignorados. Así avanza la ciencia: a base de ir haciendo hipótesis, comprobándolas o desmintiéndolas y en el proceso proponiendo nuevas hipótesis que cada vez nos aproximen más a la solución buscada. Me he encontrado recientemente mucha gente que dicen que el trabajo de de Castro, Mediavilla, Miguel y Frechoso es incorrecto porque estamos a punto de superar el límite de 1 TW (algunos, dejándose llevar por su entusiasmo, incluso aseguran que ya lo hemos superado: no aún, en 2020 la energía eólica suposo una potencia media de 0,3 TW). En realidad, el trabajo de de Castro et al es solo una primera aproximación, a ser refinada ulteriormente. Trabajos posteriores que incorporan la Tasa de Retorno Energético (TRE) llegan a la conclusión de que el potencial para TRE>10 estaría alrededor de 3 TW (incidentalmente, es por ese motivo que en las charlas digo que el potencial renovable total - de todas las fuentes - se sitúa entre el 30 y el 40% del consumo actual de energía: ese 10% es groseramente el rango de 1 a 3 TW de eólica). Lo que está claro es que, con las limitaciones que hemos comentado hoy, se va a quedar en los pocos TW de potencia media. Y, desde luego, nada que ver con los 90 TW que algunos gurús de la transición imposible proponen.

Una reflexión final: si el flujo energético eólico accesible es limitado, y la instalación de parques eólicos interfiere a grandes distancias, la transición energética requiere amplios acuerdos internacionales sobre un recurso compartido. De otro modos, los países que se encuentran aguas arriba en el patrón dominante de vientos dejarán casi sin recurso a los que se encuentran más abajo, como en el ejemplo de los molinos con el que empezábamos el post. Un aspecto éste, el de la necesaria cooperación internacional y de acuerdos marco, que hasta ahora ha sido completamente obviado en el debate de la transición energética.

Salu2.

AMT 

Energía, entropía y exergía

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Queridos lectores:

Mientras esperamos que llegue el próximo otoño con no pocos nubarrones en su horizonte (la escasez de algunas materias primas podría desencadenar algunas interrupciones temporales de suministro), seguimos enfrascados en la discusión de la transición energética que, ahora sí, ya casi todo el mundo parece aceptar como inevitable; y más importante que la necesidad de transición, lo que resulta clave es discutir qué modelo de transición queremos llevar a cabo. Ya hemos comentado en estas mismas páginas y con cierto detalle por qué el modelo de transición que se está intentando imponer probablemente no es viable ni conveniente, y por qué es importante buscar modelos alternativos más locales y resilientes. En el transcurso de las discusiones que cada vez más menudean en las redes sociales (ya que la discusión energética está tomando una gran centralidad), me he encontrado con algunos temas que se repiten continuamente y que demuestran la gran confusión que hay sobre los términos reales de la discusión energética. Lo más curioso es que no pocas veces quienes propagan conceptos erróneos son gente que tiene una formación técnica adecuada como para no cometer esos errores. Pero no los propagan por malicia o de forma interesada, sino porque han oído tantas veces ciertas ideas-fuerza completamente desatinadas que ya las han aceptado de manera acrítica, sin revisarlas a la luz de su propio conocimiento. Por eso mismo, he creído oportuno escribir algunos posts que, a partir de ejemplos concretos, me permitan contextualizar correctamente esos conceptos y mostrar cómo se aplican a nuestra situación. 

En el post de hoy me voy a centrar en una afirmación repetida tantas veces que al final se ha convertido casi en una caricatura de sí misma:

"No hay un problema de crisis energética en absoluto. El Sol nos proporciona una cantidad de energía inmensamente mayor a la que consume la Humanidad."

Examinemos primeros los datos.

En lo alto de la atmósfera, el ángulo sólido que distiende la Tierra intercepta unos 1367 vatios por metro cuadrado (W/m²) del flujo solar: es decir, llegan 1367 julios de energía por segundo y por metro cuadrado. Sin embargo, dada la geometría esférica de la Tierra y que siempre la mitad de la misma está a oscuras, el flujo de energía solar que llega a la atmósfera alta es en promedio temporal y de toda la superficie del planeta 340 W/m². El 26% de eso es reflejado por la atmósfera y las nubes, así que a la superficie terrestre llegan en promedio unos 250 W/m². La superficie de la Tierra es de 510 millones de kilómetros cuadrados, es decir 5,1·10¹⁴ m², así que toda la potencia radiante del Sol que llega a la superficie de nuestro planeta es de unos 1,28·10¹⁷ W, es decir, unos 128 PW (petavatios), que multiplicado por las 8.760 horas de un año representa un influjo energético anual de alrededor de 1,12 millones de PW·h . En 2019 (actual máximo de consumo energético de la Humanidad) se consumieron unos 163 PW·h, contando todo tipo de fuente energética. Así pues, la energía del Sol que llega a la superficie terrestre representa unas 6.880 veces la energía que consume toda la Humanidad (9.050 veces si comparamos con la energía solar que llega a lo alto de la atmósfera). 

Por tanto, es cierto que el Sol nos envía una cantidad de energía mucho mayor que la que consumimos. No infinitamente mayor, pero ciertamente muchísimo mayor.

Y aquí es donde empiezan las pegas.

Las primeras son obvias: casi tres cuartas partes del planeta están cubiertas por mares, y allí obviamente no es fácil aprovechar la energía solar. Hay montañas altas y zonas umbrías donde tampoco resulta demasiado conveniente. No olvidemos también que el planeta ya usa la energía solar para procesos fundamentales, desde el ciclo del agua hasta los vientos, pasando por la fotosíntesis de plantas y algas. Seguramente la superficie razonablemente accesible para el aprovechamiento energético solar no sobrepasa el 10%. Daría igual: como dicen los proponentes solares, basta y sobra con un 1%. Un 1% de 6.880 es 68,8, es decir, que con aprovechar el 1% de todo el influjo solar a nivel de superficie cubriríamos casi 70 veces el consumo energético mundial.

Y es aquí que entra la exergía.

Se define exergía como la cantidad de trabajo útil que uno puede conseguir a partir de una cierta cantidad de energía (fuente de energía) dada. La exergía es un concepto recíproco al de la entropía: cuando usamos una fuente de energía para hacer un trabajo útil, la exergía es lo que nos queda después de las pérdidas causadas por el aumento de la entropía (el concepto de entropía ya fue discutido en este blog; si les interesa, pueden leer el post correspondiente).

En virtud del Principio de la Termodinámica, la energía siempre se conserva. Como se suele decir: la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma. Por eso no hay energía gratis: la energía siempre tiene que salir de algún lado. Pero hay más: el Segundo Principio de la Termodinámica nos dice que cuando transformamos una forma de energía en otra siempre se produce disipación, es decir, una parte de la energía se transforma en calor. Es decir, va a incrementar la energía térmica de los cuerpos implicados. La energía térmica de los cuerpos no es más que una medida de la energía cinética de los movimientos aleatorios de las moléculas que los componen. En suma, al transformar la energía de una forma a otra, una parte de esa energía se va en mover aleatoriamente los átomos y moléculas de los cuerpos implicados (que decimos que se calientan), de forma inútil para nosotros. No podemos evitarlo. Es como si intentásemos echar agua potable de un bidón a otro bidón, y este segundo bidón estuviera sobre una plataforma que se mueve considerablemente rápido: por más que queramos evitarlo, una parte del agua caerá fuera. No desaparece (la energía se conserva) pero ya no la podremos aprovechar. Se convierte en energía dispersa, en movimientos desordenados, en energía térmica.

Déjenme que abra aquí un paréntesis. Por medio de una máquina térmica se puede aprovechar la energía térmica para hacer un trabajo útil, es decir, para producir exergía. Solo sabemos hacerlo, eso sí, si tenemos algún medio para aumentar enormemente la energía térmica del cuerpo en cuestión. Es lo que pasa, por ejemplo, cuando calentamos un depósito de agua con el calor desprendido de quemar un combustible. El agua se transforma en vapor que, a alta presión, sirve para mover un pistón: es la máquina de vapor. De ese modo, aprovechamos el movimiento desordenado de las moléculas de vapor de agua para generar un movimiento de gran escala, el del pistón, y así hacer un trabajo. Es una manera tremendamente ineficiente de aprovechar la energía: las máquinas de vapor clásicas tenían eficiencias en torno al 8%. Se puede mejorar mucho la eficiencia pasando de motores de combustión externa a motores de combustión interna, en los que el combustible se quema en pequeñas dosis dentro de la propia cámara donde se hace la expansión del fluido de trabajo, pero aún así la eficiencia se suele mover, en el caso de los coches de hoy en día, en torno al 15% para los motores de gasolina y al 20% en los de diésel (grandes máquinas diésel con regímenes bajos de revoluciones pueden alcanzar eficiencias de hasta el 50%, cercanas al límite de eficiencia máximo del ciclo de Otto, pero no son obviamente las que se usan en los coches). En todo caso, las máquinas térmicas no son muy eficientes, y mucho menos si se quiere conseguir altas potencias (por comparación, un motor eléctrico suele tener eficiencias del 80 o 85%).

En fin, volviendo a la cuestión de la exergía, cuando hablamos de fuentes de energía deberíamos más bien de hablar de fuentes de exergía. No importa cuánta energía contenga el combustible o se encuentre en el ambiente que nuestro sistema va a utilizar; lo que importa es cuánto trabajo útil se puede hacer con ella. Y ese es el problema de la energía solar: puede haber grandes cantidades de energía disponible, pero la cantidad de exergía que se puede producir es mucho más pequeña.

El argumento sobre la abundancia de energía en el ambiente no nos dice absolutamente nada sobre lo que podemos hacer realmente. De hecho, nos rodean cantidades simplemente alucinantes de energía que no podemos aprovechar. Tomando la relación de Einstein E=mc², sabemos que podríamos convertir 1 kg de masa de cualquier sustancia en aproximadamente 9·10^16 julios de energía, es decir, 25 TW·h. "Quemando" solamente 6.500 kg de materia podríamos producir los 163 PW·h que consumió la Humanidad en todo 2019. Dado que la masa de la Tierra es de casi 6·10²⁴ kg, tendríamos energía para más de 9·10²⁰ años, mucho más que los 5·10⁹ años que se espera que le quedan de vida a nuestro planeta: en el momento en el que el Sol se convierta en una gigante roja y acabe con la Tierra, por este procedimiento de desintegración solo habríamos consumido 5 billonésimas partes de la masa de nuestro planeta. Así pues, no debería haber ninguna crisis energética, teniendo en cuenta cómo llegamos a nadar en océanos de energía.

Y en cierto modo así es: no tenemos una crisis energética, tenemos una crisis exergética. Lo que nos falta es tener energía fácilmente aprovechable para hacer trabajo útil. La energía que nos llega del Sol está ya muy entropizada, es ya muy similar a la energía térmica, y ponerla a trabajar para hacer trabajo útil es muy complicado y tiene intrínsecamente muy poco rendimiento.

Afortunadamente tenemos a nuestro alrededor máquinas que se han desarrollado durante centenares de millones de años para aprovechar esta fuente tan poco exergética: las plantas y las algas. Las plantas verdes tienen una eficiencia en la producción de biomasa a partir de la fotosíntesis de alrededor del 1%; las algas, que no necesitan tanto tejido conectivo, llegan al 8%. Pueden parecer rendimientos muy bajos comparados con los paneles fotovoltaicos más comúnmente instalados hoy en día (alrededor del 20%) o de los prototipos de laboratorio (alrededor del 50%), pero fíjense que comparamos la producción de biomasa con la de electricidad. Las plantas y las algas son sistemas autoreparantes, reproductivos y que reciclan sus materiales de una manera tremendamente eficiente, de manera que están ahí desde hace millones de años. Por su parte, no contabilizamos en la eficiencia los gastos energéticos y de materiales que se necesitan para producir, instalar, mantener y desmantelar al final de su vida útil los paneles fotovoltaicos. Nosotros solo somos capaces de conseguir altos rendimientos en la conversión de energía solar en electricidad usando materiales disponibles en cantidades limitadas (por ejemplo, la plata) y con procesos extractivos en minas (como el cuarzo que se usa para hacer las placas; ¿o es que Vd. se creía que se hacen con arena, como a veces se dice?) que requieren mucha energía, mientras que las plantas y algas usan los materiales comúnmente disponibles en el medio ambiente y que encima se encuentran fuertemente dispersos (entropizados). Esos materiales que extraemos y procesamos para producir las placas fotovoltaicos los hemos podido procesar y los estamos procesando usando combustibles fósiles: se utiliza masivamente combustibles derivados del petróleo para la extracción en minas remotas, en excavadoras y para el transporte en camiones y en barcos, y se usan gas y carbón para producir el calor y la electricidad que se utilizan para las diversas fases del procesado. Sin esos combustibles fósiles, que ahora empiezan a escasear, no podríamos producir ni instalar esas placas; nunca hemos cerrado el ciclo de producir con energía renovable los propios sistemas renovables, y muchos autores dudan de que se pueda hacer. Por contraste, las plantas y las algas solo tienen una fuente de energía, el Sol, y la utilizan para todo: para transportar nutrientes a través de los tejidos conductivos usando la evapotranspiración, y para hacer la fotosíntesis; todo se construye con esa energía solar, y todo con ella se mantiene.

¿Creemos de verdad que el rendimiento exergético de la energía solar nos permitiría producir 70 veces nuestro consumo actual? Cuando se tiene en cuenta la densidad energética por superficie de instalación y el coste en materiales, el potencial exergético de la energía solar es mucho menor: de acuerdo con la estimación del artículo de Carlos de Castro et al, (2013), estaría limitado a un 20% del consumo global de energía actual. No es 70 veces, sino 1/5.

Pero el problema no es solo la exergía. Es la resiliencia.

¿Creemos de verdad que podremos mantener los complejos y fuertemente dependientes sistemas fotovoltaicos durante millones de años de la misma manera que se han mantenido (y se mantendrán) las plantas y las algas? Parece extremadamente poco probable, no que duren millones de generaciones, sino que duren más de una. Cuando estas instalaciones que masivamente desplegamos ahora acaben su vida útil, ¿cómo las sustituiremos? No podemos reciclar sus materiales sin consumir mucha energía (de nuevo, el rendimiento exergético es muy bajo) y no sabemos hacerlo, a día de hoy, sin combustibles fósiles.

Tenemos por delante decisiones críticas y muy difíciles de tomar. No podemos deslumbrarnos con números absurdos, como la cantidad total de energía en el ambiente, sin mirar cuál es el rendimiento real de los sistemas que se proponen. No tenemos mucho tiempo. No hay tiempo, sobre todo de tomar decisiones erróneas. Tenemos que invertir nuestros esfuerzos para la transición con precaución, ya que no podemos permitirnos el lujo de embarcarnos en iniciativas que a la larga se demostrarán como no sostenibles. No podemos cometer ese error una vez más.

Salu2.

AMT