Limitaciones geofísicas al potencial eólico global

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