UNA VISIÓN SOBRE LAS ENERGÍAS RENOVABLES COMO ALTERNATIVA A LOS SISTEMAS ENERGÉTICOS CONVENCIONALES por José Antonio Rodríguez Criado Manuel Alonso Castro Gil Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Control (DIEEC) Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII) Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) Ciudad Universitaria, s/n E-28040 Madrid, España Tel. 91-3986490 / Fax. 91-3986028 e-mail: Manuel.Castro@ieec.uned.es WWW: http://www.ieec.uned.es/ Artículo publicado en: Revista ERA SOLAR, número 65, Enero - Febrero de 1995
UNA VISIÓN SOBRE LAS ENERGÍAS RENOVABLES COMO ALTERNATIVA A LOS SISTEMAS ENERGÉTICOS CONVENCIONALES por José Antonio Rodríguez Criado Manuel Alonso Castro Gil Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) E-28040 Madrid, España Desde siempre, el desarrollo de la humanidad ha estado determinado en gran medida por el recurso a la utilización de las diferentes formas de energía según las necesidades y disponibilidades en cada momento y lugar. Ya en sus inicios, los principales recursos estaban basados en la utilización de energías renovables en forma de biomasa, viento, agua y sol. Utilizados principalmente como fuente de combustible, estos elementos deben ser considerados como la base energética del desarrollo humano. Sin embargo, los recursos fósiles pronto permitieron el uso de la energía de forma más fácil y eficiente, haciéndose difícil resistir el cambio a los hoy denominados vectores energéticos o fuentes energéticas convencionales. Una gran cantidad de recursos combustibles fósiles disponibles a bajo precio han participado como sostén del desarrollo industrial e incluso las conocidas crisis de energía parecen no haber sido un factor suficientemente importante para forzar un cambio en la forma en que estas energías convencionales son utilizadas o, en general, un cambio en los sistemas energéticos basados en recursos fósiles. En el momento actual, cuando la disponibilidad de recursos fósiles está jugando un papel cada vez más determinante y cuando tradicionalmente considerados como factores secundarios tales como los problemas medio ambientales aparecen entre las preocupaciones principales de la sociedad, las energías renovables surgen de nuevo con éxito creciente en el marco energético como alternativas viables reivindicando su condición de alternativa válida. Las perspectivas de la situación energética actual no son muy optimistas. No debemos olvidar que todos los países, más o menos desarrollados, realizan continuos esfuerzos en un intento de mejorar su condición socioeconómica. De aquí se desprende que si la economía mundial progresa en expansión al ritmo de cumplir con las aspiraciones de los distintos países, la demanda de energía está condenada a crecer en consecuencia, incluso si esfuerzos adecuados son llevados a cabo para mejorar la eficiencia de utilización de la energía y, en definitiva, reducir su consumo. En la actualidad las energías renovables se perfilan en una posición adecuada, al lado de las energías fósiles, para hacer frente a la demanda creciente y sin perjuicio desde el punto de vista económico. Además, las energías renovables pueden poco a poco jugar un papel de sustitución dado que no sólo el agotamiento de recursos sino también problemas medio ambientales actúan en contra de los recursos fósiles y en favor de los renovables. Una transición en el sentido de sistemas energéticos con una mayor intensidad de la componente renovable está siendo considerada en muchos países en que la dependencia de fuentes energéticas convencionales avanza hacia límites insostenibles. Una utilización intensiva de energías renovables es ya una realidad en muchos casos y factores como viabilidad, fiabilidad e incluso rentabilidad han quedado bien demostrados. Algunos puntos a considerar en relación con las ventajas asociadas a las energías renovables son, entre otros, la diversidad de recursos disponibles, siendo difícil no encontrar alguna fuente de energía renovable en prácticamente todas las regiones, incluso teniendo en cuenta la característica de variabilidad propia de las fuentes renovables. Una relación convincente puede iniciarse con el agua aplicada a la generación hidroeléctrica, energía solar térmica o fotovoltaica, energía eólica, biomasa, biogas, energía geotérmica o sistemas energéticos oceánicos. De forma similar a la combinación de energías convencionales, la combinación de energías renovables entre sí y de estas con las primeras es un factor de contribución a las ventajas de sistemas basados en energías renovables. 1
Siendo el equipamiento de este tipo de sistemas reducido en comparación con centrales convencionales, esta característica permite aprovechar la distribución de sistemas relativamente pequeños y adaptables, favoreciendo las economías de escala con reducción de costes y un menor tiempo de ejecución, entre otros factores. Una inversión de tiempo particularmente importante en centrales convencionales puede ser reducida en gran medida en la construcción de centrales basadas en energías renovables. Considerando el hecho de que menos de un 25% de la población mundial disfruta de un 75% del consumo total mundial de energía, es fácil comprender cómo uno de los requisitos fundamentales del desarrollo debe pasar por la eliminación o al menos reducción de este enorme desequilibrio entre las regiones más y menos desarrolladas. En este aspecto, las energías renovables deben jugar también un papel primordial, ciertamente más importante que el de otros recursos fósiles cada vez menos disponibles o accesibles a países subdesarrollados. A diferencia de grandes sistemas centralizados, más bien difíciles de construir en países con escasos recursos económicos y energéticos, los sistemas renovables descentralizados pueden ayudar y proporcionar una gran parte de la energía demandada gracias a la importante característica de modularidad y el ya mencionado reducido tiempo de construcción. La siempre necesaria y apenas establecida transferencia de tecnología entre países desarrollados y países en vías de desarrollo es otro punto importante a tener en cuenta y que cuenta en las energías renovables con un buen aliado, facilitando esta transferencia en mucha mayor medida que otros sistemas convencionales. Recientes estudios muestran un aspecto apenas considerado en relación con sistemas renovables. Parece demostrado que la capacidad de generación de empleo es superior en el caso de este tipo de sistemas en relación a los convencionales. Esto significa que el número de empleos generados por kw instalado es mayor en el primer caso que en el segundo. En la discusión sobre las energías renovables, dos campos diferentes deben ser considerados. Refiriéndose el primero a la utilización directa como combustible, el segundo comprende la transformación y aplicación de estos vectores energéticos a la generación de electricidad. En el primer caso, un ejemplo común puede ser la transformación de biomasa en combustible líquido o gas, pero también hidrógeno generado por medio de sistemas solares pueden ser posibles tendencias del futuro como combustible. Concentrándonos en la electricidad, vemos que esta forma de energía actúa como uno de los principales agentes en las economías actuales. Según tendencias actuales, la electricidad aparece como el vector energético por excelencia de las economías modernas dado que el incremento en su demanda resulta ser superior al observado de la parte de los recursos fósiles para utilización en forma de combustibles. Desde el punto de vista de la generación de electricidad, el sistema básico convencional se compone principalmente de subsistemas centralizados de producción de origen fósil, hidroeléctrico o nuclear. Este tipo de sistemas deberían de ser capaces de sostener el continuo incremento en la demanda de electricidad, de acuerdo con perspectivas futuras. Como resultado del agotamiento de los recursos convencionales, al tiempo que las restricciones medio ambientales, han llevado a las también denominadas energías alternativas a emerger en la escena de la generación de electricidad. Actualmente, el reto central en un sistema energético es el encontrar la inversión óptima que minimice el coste en la generación de la demanda de los consumidores pero que, al mismo tiempo, cumple con las crecientes restricciones medio ambientales. Para producir electricidad, todos y cada uno de los agentes renovables mencionados pueden ser considerados. Su disponibilidad espacial y temporal determinará la mayor o menor intensidad de utilización que de ellos pueda realizarse. Consideremos las energías solar y eólica como representativas del conjunto renovable con el propósito de presentar los objetivos de un proyecto* de evaluación de las posibilidades de las energías renovables como un ejemplo del creciente número de proyectos llevados a cabo en este campo. Se pretende realizar un análisis de las posibilidades y resultados de la combinación de sistemas convencionales con sistemas renovables dentro del mismo sistema energético. Esta bien podría 2
ser la tendencia en el futuro en los sistemas de generación de electricidad, pero importantes cuestiones deben ser evaluadas dadas las diferencias existentes entre sistemas convencionales y sistemas mixtos. La cantidad de energía solar o eólica que puede ser integrada en sistemas generadores de electricidad resulta ser enormemente sensible a la característica de demanda de electricidad así como a las condiciones climáticas. El estudio de las condiciones particulares de un sitio de implantación en cuanto al valor de la energía renovable allí disponible es, por tanto, parte esencial en la fase inicial de este tipo de proyectos. Como ejemplo de tareas a llevar a cabo puede presentarse la generación de los útiles adecuados que permitan la simulación de centrales eólicas o solares, siendo puntos principales a tener en cuenta el establecimiento de modelos meteorológicos de radiación, temperatura, o velocidad del viento, que permitan realizar una estimación de las características climáticas determinantes, tal como el comportamiento de la cobertura nubosa. La modelización de sistemas con características diferentes, tales como las distintas opciones fotovoltaicas (concentración/no concentración) deberán permitir la implantación del sistema óptimo en cada caso. El valor de la electricidad generada a partir de fuentes renovables varía efectivamente según la tecnología utilizada. La determinación de este valor es más bien difícil de determinar en el caso de estos generadores intermitentes, siendo también dependiente de las características del resto de las unidades generadoras presentes en el sistema y de la variación diaria o anual de la demanda de electricidad. Como es de esperar, el valor de la producción a partir de fuentes renovables intermitentes puede ser incrementado en aquellos lugares donde la máxima demanda coincide con la disponibilidad de la fuente generadora. A diferencia de otras energías convencionales e incluso de otro tipo de energías renovables, tanto la fuente solar como eólica son intermitentes o variables en el tiempo, lo cual hace necesaria una estimación del impacto causado por la inclusión de centrales basadas en fuentes renovables en sistemas con centrales convencionales, dado que el comportamiento de esas últimas puede verse enormemente afectado añadiendo una complejidad adicional al problema. El concepto de escenarios de energía renovable puede y debe ser aplicado en casos simples, permitiendo la evaluación de diferentes opciones con distintas combinaciones de energías. Finalmente, los beneficios de las energías renovables no pueden ser evaluados únicamente en base a principios económicos, sino que también otro tipo de consideraciones tales como las medio ambientales deben de ser consideradas. Así por ejemplo, una comparación entre sistemas convencionales y con cierto contenido de energías renovables puede ser llevada a cabo tomando como parámetro las diferentes emisiones que atentan contra el medio ambiente, tales como CO 2, SO 2 o NO x Sin embargo, si queremos que las energías renovables puedan ser valoradas en su justa medida, otros aspectos externos deben ser recordados. Principalmente las políticas de energía actualmente aplicadas en muchos países, que actúan en detrimento de las energías renovables y que necesitan de nuevas iniciativas para promover la innovación e inversión en este tipo de tecnologías. Políticas energéticas que deberían estar orientadas a demostrar que, tanto el desarrollo socioeconómico como los retos medio ambientales pueden ser llevados a cabo simultáneamente con una enorme contribución de la parte de las energías renovables. Sería pretencioso no reconocer que también los sistemas basados en energías renovables presentan ciertas limitaciones. La característica de intermitente o variable es prácticamente común a toda esta familia de energías. Esto implica la necesidad casi imperativa de acoplar este tipo de sistemas con otros convencionales con el fin de poder garantizar un mínimo de disponibilidad y fiabilidad. Una de las características de algunas fuentes renovables, solar y eólica por ejemplo, es la baja concentración o intensidad energética aprovechable por unidad de superficie, lo que implica la utilización de grandes superficies de aprovechamiento, mayores que las necesarias en el caso de centrales convencionales. Sistemas solares de concentración son un ejemplo del esfuerzo realizado por superar este inconveniente y mostrando resultados satisfactorios. 3
Aspectos medio ambientales pueden afectar al grado de utilización de los recursos renovables, tales como las restricciones hidroeléctricas ya presentes en algunos países. Los generadores eólicos sufren también de este tipo de problemas, principalmente a causa del ruido y los tan argumentados atentados al paisaje. Ciertos materiales utilizados en la tecnología fotovoltaica no son precisamente productos inocuos de cara al medio ambiente, aunque los avances tecnológicos y el uso de nuevas tecnologías están progresivamente disminuyendo estos inconvenientes. A diferencia de sistemas convencionales, en los cuales el almacenamiento de combustible es relativamente fácil, uno de los reconocidos problemas de las fuentes renovables es la inherente capacidad limitada de almacenamiento. La posibilidad de almacenamiento es ciertamente un factor importante y determinante del rendimiento y fiabilidad de los sistemas de generación de energía. Excepto en sistemas hidroeléctricos, de hecho utilizados como almacenamiento de energía, el resto de los recursos renovables aparecen como poco capaces de proporcionar una aceptable capacidad de almacenamiento. El almacenamiento de electricidad por medio de acumuladores o baterías es una solución actualmente poco apropiada para ser utilizada a gran escala y reservada para aplicaciones específicas. Una forma de almacenamiento que aparece como prometedora en el panorama de las energías renovables es la generación de hidrógeno en sistemas solares, el cual puede ser almacenado como combustible en el lugar de su generación permitiendo el ser transportado y utilizado allí donde sea necesario. Como conclusión, el papel de las fuentes renovables debe ser acentuado e intentos deben ser realizados con el fin de aumentar la parte de energía producida a partir de estas fuentes al lado de la producción resultante de sistemas convencionales. Además de mejorar la eficiencia de los sistemas de producción, la capacidad para proporcionar la creciente demanda de energía en el futuro depende del aumento de la contribución de las fuentes de energía renovable, probable tendencia energética futura del siglo XXI. 4