Rafael Íñiguez me ha hecho llegar la tercera parte de su serie de posts (pueden encontrar los dos primeros de la serie aquí y aquí), tan bien documentada como siempre. Espero que la disfruten.
Salu2,
AMT
Tendiendo puentes sobre la garganta de Olduvai. (III)
En este 3er post veremos las formas de generación de electricidad incluidas en el ‘ régimen especial’, compuesto principalmente a partir de fuentes renovables, que recordemos, producen el 3% de la energía primaria mundial.
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Salvo la energía de las centrales nucleares y la geotérmica, el flujo de energía que sostiene la vida en la tierra procede del horno de fusión nuclear que funciona en el sol, es decir, de la capacidad de las estrellas de transformar materia en energía ( E = mc2).
La magnitud de la energía solar irradiada diariamente a la tierra es 3,7 x 10^21 calorías, cifra que supera en 100 veces el consumo total de la civilización humana en un año. Del 37% al 39%, el llamado albedo, es reflejado al espacio, y el resto ilumina el planeta y calienta los océanos, los continentes, la atmósfera, produciendo las estaciones por la circulación de fluidos sobre su superficie. Produce los vientos, las precipitaciones y fuerza la función clorofílica. El propio flujo es la vida, lo llamamos energía y nadie la llega a comprender completamente, pero es la esencia de nosotros mismos.
Anteriormente hemos hablado del empleo de esta misma energía solar, pero ya almacenada para producir electricidad, la hemos llamado energía fósil y son restos de materia viva almacenada durante millones de años. El haberla encontrado ya atesorada nos ha permitido romper las limitaciones temporales, pero hace poco hemos encontrado un techo en su recuperación para poder usarla, y ahora recurrimos a la matriz, pero debemos recolectar, y como estamos acostumbrados a consumir tanto como hemos querido, para continuar con ese modelo debemos recolectar a una gran escala. Son flujos renovables y como la gallina de los huevos de oro se reponen cada día con la salida del sol, pero dada su gran dispersión, su captación no es fácil, además en un sistema como nuestro planeta nada es inútil, por donde fluye realiza trabajo, un trabajo que desplazaremos a nuestro fines y que el sistema natural ya no recibirá. Asumimos alegremente que tomamos ‘poco’, decíamos lo mismo de los atunes o las anchoas que capturábamos en los enormes océanos, y sin embargo ya casi los hemos extinguido, ¿Hasta dónde podremos llegar?, ¿Qué mecanismos podremos disparar? o ¿Que hemos ya iniciado?
Las captación masiva de energías renovables, ha sido un nuevo horizonte, estaban ahí y las veíamos fluir libres, a nuestra disposición, pero con las primeras nubes de la tormenta del encarecimiento del petróleo y la aparición del cambio climático, decidimos utilizarlas ‘industrialmente’, primero a pequeña escala, pero en poco tiempo y con el capitalismo y el BAU en su apogeo se ha convertido en una gran actividad industrial y financiera más.
Su etiqueta verde, al evitar emisiones de CO2 es otro gran atractivo, pero relativo ya que una gran parte de sus actividades asociadas si lo hacen y en unas cantidades nada despreciables. Son actividades casi monopolizadas por grandes corporaciones con expectativas de grandes beneficios y han realizado el paso previo: grandes inversiones. Pero existe un gran peligro, el hombre suele confundir tecnología con energía y éste es un error fatal, además no existen referencias históricas y sus resultados a largo plazo, aun son 'experimentales'.
Porque... ¿qué ha pasado?, ¿Por qué son altos los precios de la electricidad renovable y tan controvertida su aportación actual? En España se les culpa mayoritariamente del déficit de tarifa, esto es porque reciben primas y si bien sus costes de O&M variables son cero, es decir que el viento, el sol o el calor volcánico son “gratis”, los costes de O&M fijos (mantenimiento puro) y los costes de capital e inversión por cada megavatio son más elevados que los del régimen ordinario, por lo cual no son rentables de por sí en el sistema actual. Además sus factores de carga máximos (del 20% al 45%) son bajos y discontinuos, (necesitando respaldo), las instalaciones están expuestas a la intemperie y muy distanciadas de los puntos de consumo, sufriendo un mayor deterioro, requiriendo mayor inversión para el transporte y teniendo mayores pérdidas en este proceso. Veremos algunas de sus particularidades más significativas, como factores de carga, precios, TRE's, rentabilidades económicas, necesidades de ajustes en la red, problemas medioambientales, sus ‘primas’ a la producción y otras cuestiones.
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En la tabla de costes ecualizados a continuación, les recuerdo que los colores de las cifras son valores "favorables" cuando son verdes y de tonalidad clara, los neutros son amarillos y "desfavorables", los rojos y más oscuros, la "mezcla de colores" de cada línea están en la columna final con el total. Por este criterio, las renovables, aparecen como desfavorables ‘ farolillos rojos’ en la columna 'total' de la tabla.
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Fuente: EIA (Department Of Energy de EEUU), Annual Energy Outlook 2010.
Conviene señalar que para mí, el valor económico ‘límite o frontera’ es el precio del MWh producido con petróleo. Tomemos el precio del barril de Brent por ser la referencia menos distorsionada y con un valor actual de unos 110-115 $/barril, y asignándole un contenido energético de 1,6 MWh/barril, si aplicamos las oportunas conversiones y descuentos, (1/3 de aprovechamiento) resulta que producir 1 MWh eléctrico con petróleo cuesta ahora unos 198 $ ó 151 € (¡Sólo en combustible!). Pues bien, cualquier forma de producir electricidad por encima de estos costes carece de rentabilidad energética e incluso hacerlo cerca de estas cifras no tiene sentido, en el ámbito termodinámico, de ahorro de emisiones y económico. La excepción sería usarlo en instalaciones aisladas de las redes de distribución en las cuales los costes adicionales de conexión y la carestía de las alternativas justificarían estas cifras como aceptables.
Generación eléctrica eólica
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En el año 2011 el 2,8 % de la electricidad mundial fue producido por el viento, el coste total de este tipo de generación es alto, el problema principal es la dispersión, las corrientes de aire aprovechables solo se encuentran en ciertos ‘pasillos’ y a determinadas alturas, por lo cual en la práctica solo se pueden instalar con rentabilidad un número limitado de aerogeneradores.
Los aerogeneradores son máquinas que capturan la energía cinética del viento transfiriéndola al eje de un alternador y por la ley de Lenz, la convierten en energía eléctrica. Son de gran tamaño, caras y complejas, el coste del Kw instalado oscila entre unos 1.700 a 5.000 $. Tiene un acceso y mantenimiento muy difícil, peligroso y costoso, además de estar muy expuestas a todo tipo de problemas mecánicos, precisamente por intentar ‘domar’ las fuerzas de la naturaleza. Podríamos citar como orígenes de averías:
- Problemas mecánicos 40 %. Rotura o desgaste de engranajes y cojinetes por defectos del material, fatiga, uso de aceite indebido, altas temperaturas del aceite, vibraciones, sobrecarga, etc.
- Caída de rayos 20 %. Hasta 10 impactos de rayos en cada pala por año.
- Incendio 7 %, por rayos o por sobrecalentamiento de cojinetes, fallos en el sistema de lubricación (Un generador cuenta con entre 200 y 400 litros de aceite de lubricación en su interior), corto circuitos y, especialmente, por chispas durante los trabajos de mantenimiento, combatir un incendio en lo alto del aerogenerador es muy difícil y normalmente concluyen con la destrucción total de la góndola.
- Rachas de viento 4 %.
- Otros 28,5 % (electrónica, hidráulica...)
Su diseño electro-mecánico está sobredimensionado para el peor de los escenarios ya que su régimen de carga será muy variable, por lo cual debería presentar una robustez que será infrautilizada en la mayor parte de su vida útil, por lo que su diseño nunca será el más eficiente.
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Si observamos la tabla anterior observamos que por unos 203.000 MWh instalados tenemos 158.000 turbinas, todas funcionando aisladas y en altura, con una instalación y mantenimiento individual, esto explica los altos costes de O&M fijos. También es un gran riesgo la estimación de vida útil de 20 o 25 años, cuando por ejemplo en Holanda hay parques que ya han terminado su vida útil a los 12 años de explotación.
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Eólica terrestre. Al estar sobre el terreno es más viable, aunque necesita una gran inversión y financiación, además requiere del apoyo económico de primas por la producción. Los aerogeneradores estandarizados actualmente suelen ser de 2 MW, las instalaciones tienen un coste de 1.800 a 2.050 $/Kw instalado (2011). Requieren la construcción de todas la infraestructura: grandes viales, cimentaciones, líneas eléctricas, telemetría, los propios aerogeneradores, gastos administrativos, etc. Y un plan de desmantelamiento tras su clausura. Su vida útil se estima en unos 20 años durante los cuales debería rentabilizarse. Los costes de mantenimiento, financieros, la amortización y las cargas impositivas tienen que ser cubiertas prioritariamente y después aparecerían los beneficios. Para esto sólo existe una premisa, que el factor de carga, la TRE y las condiciones económicas cubran el esfuerzo inversor. La O&M puede cuantificarse por MWh producido y se mueve en una horquilla desde los 8 a los 20 €/MWh, también puede calcularse sobre el Kwh instalado y año (sobre 30$), la rentabilidad de uno u otro caso viene condicionada por el factor de carga. Hay expectativas de hasta un 35%, siendo estas muy optimistas ya que suelen funcionar unas 2.200 h/año (25%). La TRE también es muy volátil y hay horquillas de cifras desde el 10:1 al 30:1, en cualquier caso y desde la paralización de concesión de licencias con primas (en España importan sobre un 40% sobre precio del pool) prácticamente no se han realizado nuevas inversiones y las principales empresas de fabricación de aerogeneradores han perdido hasta 20 veces su valor de cotización. Existen corrientes de opinión que consideran que su apogeo es consecuencia de la abundancia de energía fósil, por lo cual las denominan "fossil fuel extenders", y condicionan su viabilidad a la alta TRE de los combustibles fósiles, que cada día decrece, sobre todo por haber sobrepasado el petróleo su cenit de producción y sufrir un declive y encarecimiento continuo.
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España tiene instalados 21.573 MW, un 21% del total instalado en 19.606 generadores (2.011) y produce el 16 % de la demanda con un factor de carga del 23% (REE 2011), muy ajustado y por debajo de las previsiones del 35% de los estudios iniciales. Necesita respaldo de otros sistemas de generación (principalmente gas C.C.), dependiendo de su disponibilidad. Ahora, por la caída de la demanda y su preferencia para entrar al pool, su aportación es relativamente alta respecto a la producción del régimen general, lo que complica el equilibrio de la red por su mayor ‘peso’. Otro efecto colateral es el dado por el propio diseño de las subastas eléctricas, que ahora acaban en precios más bajos, ya que el mecanismo de la formación de precios, estaba diseñado para un sistema en continuo crecimiento.
Eólica offshore. Otro medio en el que existe un mayor potencial energético del viento, es en el mar, sobre las plataformas continentales de las zonas costeras hasta unos 30 m. profundidad, aunque existen proyectos de parques flotantes en aguas profundas (mayores de 150 m.). Buscando estos rendimientos y afrontando mayores dificultades, una pequeña parte de las instalaciones de aerogeneradores son marinas, la mayor velocidad de los vientos por las menores pérdidas de la orografía, y su constancia (mayor factor de carga) en algunos casos compensan las dificultades de acceso, mantenimiento, instalación y el extremo y corrosivo ambiente marino. Su porcentaje de implantación es muy pequeño, sobre el 1,64% de la potencia eólica mundial instalada, pero existen expectativas de crecimiento. Su TRE choca con los costes de generación actual, de 184,5 € MWh, el alto valor de la inversión inicial de casi 4.500 $/Kw y los costes de mantenimiento que superan el doble de los de la eólica terrestre. En España no funcionan instalaciones aún, pero si existen proyectos.
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El tema de los inconvenientes del uso de la ‘ecológica’ energía eólica es muy controvertido. Nada cuando se usa intensivamente es inocuo, los modelos naturales están necesariamente en equilibrio y extraer tanta energía del medio lo alterará y nos cobrará cánones. Algunos de estos son: la contaminación acústica, la mortandad de las aves, el impacto en el paisaje, los desmontes y movimientos de tierras para construir los accesos y servicios, los vertidos de aceites minerales por la fugas y averías de las transmisiones y multiplicadoras, los cambios del clima local y quizás regional por la modificación de las corrientes de aire. En las instalaciones offshore los posibles efectos del electromagnetismo de las líneas de alta tensión sobre la fauna marina, las estelas provocadas por las turbinas y otros efectos que desconocemos... El tiempo y los hechos nos mostrarán lo acertados o errados que estamos.
Generación eléctrica Fotovoltaica y Termo solar.
La mejor forma de aprovechar la energía solar sería usarla directamente, pero por la dispersión con que llega a la Tierra con una media de 175 W/m2 necesitamos utilizar mucha superficie para obtener las cantidades suficientes para abastecer nuestra demanda. Como lo que pretendemos es obtener electricidad, los métodos que usamos son básicamente dos, obtenerla directamente mediante paneles fotovoltaicos o producir un gran aumento de temperatura y obtener la electricidad mediante máquinas térmicas de ciclo de carnot.
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Estas soluciones implican dos disciplinas de ingeniería:
Generación eléctrica por Efecto fotovoltaico, que es la transferencia parcial de la energía luminosa de los fotones, en energía eléctrica (diferencia de potencial) a los electrones. (Heinrich Hertz ,1887).
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Las célula fotoeléctricas, son dispositivos electrónicos que permiten realizar la transformación. Están compuestos de un material que presenta efecto fotoeléctrico, es decir, absorben fotones y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizable para nuestros usos. Aprovechando el comportamiento físico de estas sustancias y después de una gran labor de I+D, hemos desarrollado una industria capaz de fabricar ‘paneles fotovoltaicos’ comerciales de rendimientos eléctricos de hasta el 30% y una vida útil estimada de 30 años.
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Estas cifras son ‘aceptables’ para la incorporación de estos sistemas de producción en las redes eléctricas. Las potencias se denominan en vatios pico, la electricidad generada es en forma de corriente continua por lo que se necesitan dispositivos inversores para convertirla en corriente alterna a la que hay que sincronizar a 50 Hz (en Europa) y posteriormente elevar su tensión para distribuirla por la red eléctrica comercial. Su O&M fijos son bajos (0,006 $/Kwh) pero su TRE es muy baja (de 2:1 a 10:1) y su factor de carga (22%) es pequeño, además de que los mayores rendimientos se producen cerca del ecuador terrestre, lejos de la mayoría países desarrollados. En algunas instalaciones se pueden mejorar con un sistema de seguimiento del sol para aumentar la exposición. La baja TRE y factor de carga hace que se necesiten 'primas' para decidir a los ‘inversores’ a entrar a competir al mercado mayorista eléctrico. Estas primas son un ‘hándicap’ o equilibrador con el régimen ordinario.
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Grupo b.1. Instalaciones que utilicen como energía primaria la energía solar. Dicho grupo se divide en dos subgrupos:
Subgrupo b.1.1. Instalaciones que únicamente utilicen la radiación solar como energía primaria mediante la tecnología fotovoltaica.
Subgrupo b.1.2. Instalaciones que utilicen únicamente procesos térmicos para la transformación de la energía solar, como energía primaria, en electricidad. (BOE núm. 126 de 26 mayo 2007.)
En España la generación solar Fotovoltaica en 2.011 fue de 7.912 GWh. en unas instalaciones de 4.099 Mw, el 4% del total instalado y con un factor de carga del 22% y aportando el 3% de la demanda.
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Generación termosolar.
Las producción se basa en concentradores a base espejos cilindro-parabólicos o espejos direccionables automáticamente que apuntan a una torre central y que funcionan como una “lupa” gigante calentando agua o ‘sales fundidas’ que circulan a alta temperatura y que mueven una turbina y un alternador. Simplificando es una central térmica, pero con calor procedente directamente del sol. La mayor ventaja respecto a la fotovoltaica es su capacidad de almacenamiento térmico de energía por la alta temperatura conseguida en los fluidos calentados en el concentrador. Su construcción tiene un alto coste inversor y un elevado coste de O&M fijo de unos 20$/MWh, alcanzando su factor de carga el 30% con una TRE menor de 4,2:1 por lo que ha necesitado también de primas.
En 2011, la termosolar en España generó 2.029 GWh. con 1.581 Mw instalados, el 1,5% del total español de 100.576 MW. y un 72 % de la potencia termosolar mundial. El factor de carga fue del 24,4%.
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| Fuente: Abengoa |
En España, las ventajas de tener las más bajas latitudes europeas y los grandes incentivos iniciales propiciaron este gran desarrollo, pero actualmente y por la cuantía alcanzada por sus primas, (ver cuadros) la congelación de las ayudas al sector renovable en general y la dureza de la crisis económica y financiera, han provocado la casi total paralización inversora en el sector renovable. No obstante en 2011, la generación con tecnología solar aún creció un 43%, con un incremento del 26% en la fotovoltaica y un 193% en la termoeléctrica.
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Cogeneración. Son plantas con motores alternativos que usan gasóleo, fuel-oil o gas como 'carburantes'. Los rendimientos de este tipo de generación eléctrica no superan el 35% pero compensan su baja eficiencia térmica con un sistema de aprovechamiento térmico o CHP, (Combined Heat and Power). Se les denominan sistemas de cogeneración, con unos rendimientos globales que llegan al 85%. El sistema en general se basa en la producción de vapor a baja presión (hasta 10 bares), aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de alta temperatura del agua de refrigeración del motor. Son también usados para la producción de frío por absorción, bien a través del vapor generado con los gases en máquinas de doble efecto, o utilizando directamente el calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto. Otro uso experimental es el de enriquecimiento de CO2 en explotaciones agrícolas de invernaderos para favorecer la fotosíntesis. Hasta las últimas modificaciones legales estas instalaciones se beneficiaban de primas a la producción que las hacía 'económicamente' rentable en pequeñas instalaciones distribuidas. Hoy día, por la reciente modificación legislativa y la supresión de estas primas, han perdido gran parte de la rentabilidad.
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En España la potencia instalada denominada como ‘calor residual’ es de 68 MW, REE la aglomera junto a: ‘cogeneración y resto’ teniendo el bloque instalado el 9% del total y cubriendo un 12%, de la demanda. (REE 2011)
Las energías renovables por ser discontinuas, no ofrecen garantía de suministro. Esto implica que se debe aportar el servicio dentro de unos márgenes establecidos, es decir debe cumplir las directivas de calidad del servicio: los megavatios suficientes a los voltios, amperios y hercios que precisa el hardware de la red, debiendo existir instalaciones de respaldo para suplirlas cuando no producen o es insuficiente para satisfacer la demanda. Estas instalaciones hasta entonces ‘cobran por estar paradas’ y su funcionamiento en arranque-parada las somete a un gran estrés. También deben dejar de producir cuando la generación excede la demanda y el sistema no puede gestionar toda la energía que se le aporta. Ambas circunstancias desestabilizan, complican y encarecen al sistema completo.
Existen otras formas de generación como el aprovechamiento geotérmico que es aquel que puede obtenerse mediante el aprovechamiento del calor del interior de la Tierra, tiene una pequeña aportación a las cifras de generación mundiales. Los lugares donde existe actividad volcánica cerca de la corteza terrestre y donde son aplicables son escasos y su utilización requiere una O&M fija cara y una gran inversión. A favor, su factor de carga en muy alto (90%) y nulo el gasto en O&M variable. Las aplicaciones suelen ser locales y por tanto con muy pocas pérdidas en el transporte. En España su aplicación es testimonial en calefacción y balnearios.
Quedarían también por citar otros tipos de generación en ‘régimen especial’, como la minihidraúlica, el tratamiento de residuos, los propios residuos, el biogás, la térmica renovable o biomasa, etc. que son los otros componentes del ‘resto’ antes mencionado junto con la cogeneración y que completa este grupo especial de generación eléctrica en España.
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| Fuente: Red Eléctrica Española |
Destacamos que las energías renovables cubrieron, un tercio (33%) de la demanda eléctrica del año 2.011 en España, pero insistiendo en que se computa la 'gran' hidráulica (11%) como renovable, siendo ésta perteneciente al régimen ordinario de generación.
En el próximo post, continuaremos tratando los temas y apartados que se han ido quedando atrás, como los precios de la electricidad, la calidad del servicio, datos comparativos de TRE, aspectos económicos y otros que crea interesantes, además de presentar conclusiones.
Rafael Iñiguez, noviembre de 2.012.
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