El cambio climático: los combustibles fósiles y las energías renovables cambio climático Por N. Borràs, S. Carmona, F. Estrany y R. Oliver Escola Universitària d Enginyeria Tècnica Industrial de Barcelona 92 Ë septiembre/octubre 2007
Es interesante ver, que desde hace varios años, el cambio climático era como un eslogan de una campaña publicitaria que no acababa de funcionar. Era algo de lo que se hablaba habitualmente, pero con lo que mucha gente no se identificaba. Recientemente se anunció que el cambio climático existía, cosa que parecía que nadie se atreviese a afirmar de forma contundente hasta ese momento. La gran pregunta es: por qué ahora y no hace varios años? De todos es conocida, tanto la dependencia como la problemática del uso y abuso de los recursos fósiles 05 artículo técnico septiembre/octubre 2007 Á 93
.De todos es conocida, tanto la dependencia como la problemática del uso y abuso de los recursos fósiles. Especialmente en las emisiones de CO y CO 2, que favorecen a lo que ahora reconocemos como el cambio climático. Por fortuna, aunque quizás de una forma lenta, estamos utilizando nuevas energías para evitar el mencionado cambio climático (o alargarlo de la mayor forma posible), de manera que es de vital importancia el desarrollo de nuevas energías: solar, biomasa y la eólica, aunque esta última es la que más avanzada está. Pero por otro lado, hay muchas dudas en el sector medioambiental de la real preocupación sobre estos temas, ya sea por parte de los ciudadanos como por parte del sector empresarial y, claro está por el dudoso desarrollo medioambiental en muchos países. 01. Los recursos fósiles Todos los países dependen de los recursos fósiles para la obtención de energía, ya sea a través de carbón, petróleo, etc. Los problemas principales del uso y abuso de los recursos fósiles principalmente son: Fuente de energía no renovable. Emisiones de gases invernadero, en especial el CO. Contaminación ambiental. Baja eficiencia en la obtención de otras energías a partir del crudo. Desde hace ya muchos años, siempre ha corrido la misma pregunta entre la sociedad, cuándo se acabará el petróleo? Los expertos indican que existen reservas de petróleo para unos 50 años. El petróleo no va a existir hasta el fin de nuestros días, de ahí la apuesta de muchos países por nuevas fuentes de energía renovables. También es cierto, que dicha situación, se ha visto afectada por el reciente desarrollo de países como son China y la India. Sabemos con certeza que la combustión de petróleo conlleva la emisión de gases contaminantes y, de las consecuencias de dichos gases sobre el medio ambiente y sobre los ciudadanos. Debido a lo expuesto, es necesario encaminarnos hacia otro tipo de energías más limpias y, que su fuente de energía tenga la mayor longevidad posible. 02. Energía nuclear Esta fuente de energía es, seguramente, la más polémica de todas. Esto es debido a la discordia que hay entre aquellas opiniones a favor y aquellas en contra de la energía nuclear. La problemática actual con la energía nuclear se puede resumir en dos puntos muy destacables: El miedo social por cuestiones de seguridad. La problemática de la gestión de los residuos nucleares generados. Los detractores de la energía nuclear, fundamentan su teoría basándose en que el consumo principal de petróleo se debe al transporte y a la agricultura. Si tenemos en cuenta que la energía nuclear se utiliza para la obtención de energía eléctrica, mejor hacer hincapié en buscar nuevos combustibles para el transporte y agricultura, como por ejemplo el hidrógeno. Como toda instalación dedicada a la producción de energía, conlleva ciertos riesgos asociados, pero a día de hoy, es difícil plantearse la parada total de las centrales nucleares. Esto provocaría o bien la caída de la red eléctrica o tener que hacer uso de las centrales térmicas y de ciclo combinado para compensar las nucleares, eso sin olvidar los protagonistas principales de nuestra historia, el CO 2 y el cambio climático. 94 Ë septiembre/octubre 2007
Todos los países dependen de los recursos fósiles para la obtención de energía, ya sea a través de carbón, petróleo, etc. La parada de las centrales nucleares se deberá hacer paulatinamente y, sustituyendo dichas centrales nucleares por energías renovables (ER) u otras, pero no debemos olvidar que las renovables, no producen energía de forma constante, cosa muy necesaria para la demanda de la sociedad actual. La Unión Europea tiene problemas para desarrollar un plan energético común para todos sus miembros, ya que unos apuestan por un tipo de energía y otros apuestan por todo lo contrario, amparándose en el derecho de usar en su país la energía que mejor les convenga para satisfacer las necesidades de sus conciudadanos, postura que es de entender. Pero por qué no aplicar el término medio? Si realmente se puede llegar a reutilizar el combustible nuclear, por qué no compaginar el uso de las ER y la energía nuclear. De modo que el consumo de recursos fósiles se verá disminuido y con ello aumentaremos su longevidad. Realmente, con posturas diametralmente opuestas difícilmente se puede llegar a un consenso, pero se debe priorizar el cumplimiento del Tratado de Kyoto y tratar de frenar el desarrollo insostenible, en especial sabiendo que países como China y la India todavía no han alcanzado niveles de consumo parecidos a los del primer mundo. 03. Energías Renovables (ER) Podríamos decir que son las energías del futuro, algunas de ellas, como por ejemplo la eólica, disfruta de un estado de madurez envidiable si se compara con la energía solar y la energía de la biomasa. Una de las problemáticas actuales en el sector de las ER, son los períodos de subvención por parte de la Administración. La propuesta del Ministerio de Industria que ha planteado reducir las primas, en especial en el caso de la eólica, ha llevado al rechazo inmediato por parte de las diferentes asociaciones del sector de las ER. Dicha reducción de primas/subvenciones, haría que el periodo de retorno (PR) de la inversión fuera mucho mayor, con lo que muchos de los proyectos en energías renovables, podrían pararse, cancelarse e incluso, ni plantearse. En breve se explicarán estos conceptos económicos. Vamos a realizar un pequeño estudio económico, para definir algunos conceptos económicos y, para aportar también sugerencias. Uno de los posibles planteamientos, es el de mantener las subvenciones hasta que se haya cumplido, lo que se conoce en economía como el periodo de retorno de la inversión, es decir, el momento a partir del cual, sólo se obtienen beneficios (Fig. 1). En la Figura 1, el período de retorno sería algo superior a los 10 años, esto significa que el coste de la instalación se pagará en diez años. Se define como PR: In PR = FC Donde In = inversión inicial del proyecto, en definitiva el coste total de la instalación. Figura 1. septiembre/octubre 2007 Á 95
FC = cash flow = Cobros Pagos, donde los cobros serían la suma de la subvención y de la venta de energía eléctrica a la red de distribución. Los pagos obviamente serían los costes de mantenimiento, sueldos de los técnicos y como no el pago del crédito obtenido para la financiación de la construcción. PR > Vida útil Inversión desestimable. PR < Vida útil Inversión rentable. Dónde Vida Útil, es el tiempo total de funcionamiento de la instalación en condiciones normales, en el caso de las renovables, la Vida Útil está alrededor de los 30 años, en algunos casos puede ser superior y en otros inferior. La cuestión clave en este punto, como ya hemos mencionado anteriormente, es plantearse parar las subvenciones una vez el PR se ha cumplido o bien continuar con la subvención hasta los últimos días de vida del Parque Energético. Si llamamos el período de subvención PS, también podemos considerar una tercera opción: PS = PR + x Siendo x, un período extra de subvención (en años) a determinar en función de la importancia y el tamaño de la instalación y del PR. Una solución podría ser la reflejada en la Tabla I. Tabla I. PLAN DE SUBVENCIONES PARA ENERGÍAS RENOVABLES Potencia Instalada Valor de x 10 MW 4 Criterios 10<P<25 MW 3 25<P<50 MW 2 * Imaginemos que el PR =10 para las tres instalaciones, tendremos los siguientes valores de PS: PS 1 = 14 PS 2 = 13 PS 3 = 12 * Como es lógico, el PR, será totalmente diferente para tres instalaciones que son en sí mismas muy distintas, en este caso se utiliza dicho valor para facilitar y aclarar la idea que estamos aportando. 03.1. Energía eólica Podríamos decir que es la energía renovable que goza de mejor salud. España es, aunque parezca sorprendente para gran parte de la sociedad, la segunda potencia mundial en producción energética a partir de la energía eólica. Las principales ventajas de la energía eólica se resumen en: a) Elevada eficiencia. b) Bajos costes de mantenimiento, derivado de su simplicidad de funcionamiento. c) Como energía renovable, evita el uso de recursos fósiles. Las principales desventajas de un parque eólico se pueden resumir en: a) Dificultad para la localización idónea de un parque eólico dependiendo del régimen de vientos. b) Se necesita generalmente una gran extensión de terrenos. c) Posible especulación para aumentar el precio de los terrenos destinados a dicha actividad. 96 Ë septiembre/octubre 2007
Foto 1. Parque Eólico en Rajastán, desierto de la India. Foto: Sergi Carmona Duarte. d) Si tenemos en cuenta que a día de hoy y, a pleno rendimiento de todos los parques eólicos tenemos 11.000 MW de potencia instalados, esto significa que el margen de maniobra es muy corto en caso de parada total de vientos. De ahí la necesidad de tener reservas en todas las formas posibles, biomasa, incineradoras, ciclo combinado, hidroeléctricas, centrales térmicas y nucleares. Dicho de otro modo, en el caso de parada total de vientos, se necesitarían 11 centrales nucleares para mantener el suministro de energía eléctrica en la red. 03.2. Energía solar Se denomina energía solar fotovoltaica a una forma de obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, provocan la excitación de electrones que a su vez se promocionan a orbitales electrónicos de energía superior, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de tensiones mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. A mayor escala, la corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna e inyectar en la red, operación que es muy rentable económicamente gracias a las subvenciones. En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, como estaciones meteorológicas o repetidores de comunicaciones, se emplean las placas fotovoltaicas como alternativa económicamente viable. Las principales ventajas de la energía solar se resumen en: - Simplicidad en el funcionamiento de la instalación con un mantenimiento mínimo. - Eficiencia media-alta. - Se reduce el consumo de recursos fósiles y por tanto de emisiones de CO 2. Las principales desventajas de un parque fotovoltaico se pueden resumir en: - Necesidad de encontrar una zona con una incidencia solar suficiente. - Se necesita generalmente una gran extensión de terrenos. a) Posible especulación para aumentar el precio de los terrenos destinados a dicha actividad. b) Elevada inversión inicial. c) La dificultad de mantener de forma constante el volcado de energía a la red eléctrica, conlleva la necesidad de tener siempre reservas energéticas clásicas. Cabe mencionar, dentro de este apartado, la energía solar termoeléctrica, que produce electricidad con un ciclo termodinámico convencional, a partir de un fluido calentado por el sol. Actualmente se están realizando estudios sobre las centrales solares termoeléctricas (CET) en la Plataforma Solar de Almería-CIEMAT. Se suele disponer un apoyo fósil discrecional para el caso de que el perfil de demanda discrepe del aporte solar. septiembre/octubre 2007 Á 97
La etapa crítica del proceso se centra en el concentrador óptico, que permite lograr mayores temperaturas. Habitualmente se usan concentradores solares por reflexión para alcanzar las temperaturas requeridas en la operación de ciclos termodinámicos. Los tres conceptos de concentración solar más utilizados son los concentradores cilindro-parabólicos, el sistema de torre o de receptor central y los discos parabólicos, siendo, de los tres tipos, el sistema de torre el que consigue mayores potencias unitarias. Las CET están llamadas a jugar un papel relevante en la producción de electricidad a gran escala, tal y como se recoge en el Plan de Fomento de la Energías Renovables de España, donde se fija un objetivo alcanzable de 200 MW instalados antes del 2010. La situación actual de la termoeléctrica en España incluye tres proyectos para uso comercial: - La empresa sevillana Abengoa ha inaugurado la primera central termoeléctrica de torre para uso comercial, (PS-10) y tiene previstas otras incluso de colectores cilíndrico-parabólicos con un total de 450 MW. - La empresa alemana Conergy (fabricante de módulos fotovoltaicos) tiene intención de instalar la mayor planta solar termoeléctrica de Europa en el sur de España, todavía sin concretar, pero se prevé que genere 100 MW. - Iberdrola tiene en proyecto otros 450 MW en tecnología termoeléctrica de colectores cilíndico-parabólicos Al margen del fin comercial y como gran soporte al sector, se encuentran los proyectos de investigación y desarrollo llevados a cabo por la Plataforma Solar de Almería-CIEMAT. Figura 2 03.3. Energía de la biomasa Esta fuente de energía está en una fase inicial de desarrollo y aplicación. La biomasa se utiliza en la co-combustión para la obtención de energía eléctrica. Dicho proceso se representa en la Figura 2. Las principales ventajas del uso de la biomasa son las siguientes: a) Reducción de emisiones de CO 2 : ya que el balance de CO 2 que se obtiene es nulo. b) Reducir el consumo de combustibles fósiles. c) Disminución de los costes de explotación en la obtención de energía eléctrica a partir de la biomasa. 98 Ë septiembre/octubre 2007
Inconvenientes de la biomasa Los principales inconvenientes en el campo de la biomasa son los siguientes: a) Suministro de materias primas: la necesidad de que las materias primas estén disponibles de una forma razonablemente rápida para con ello mantener las características de combustión necesarias en la caldera. b) Calidad de la biomasa. Como es lógico, a mejor calidad de biomasa utilizada, mejor combustión, menos emisiones atmosféricas y con ello en definitiva, mejor eficiencia en el sistema. c) La posible necesidad de crear una bolsa de subproducto, como la que existe actualmente en Cataluña, para disponer en el mercado de toda la materia prima que sea posible para las centrales térmicas. d) Establecer una legislación que favorezca las primas para equipararlas con el resto de los países de la UE y, con ello, fomentar su desarrollo. e) El poco valor que se otorga a la reutilización de la madera, en contraposición al caso del vidrio, el papel y el plástico. Tabla II Combustible utilizado Coste por kw instalado 100% Biomasa 1.500 /kw instalado Co-Combustión 150 900 /kw instalado Las centrales térmicas resultan más eficientes y, en estos momentos, cuentan con una gran virtud frente a las de sólo biomasa: si se interrumpe el suministro de residuos puede seguir operando sólo con carbón. septiembre/octubre 2007 Á 99
Es necesario encaminarnos hacia otro tipo de energías más limpias, y que su fuente de energía tenga la mayor longevidad posible La necesidad de estandarizar los residuos utilizados en forma de biomasa, en función de parámetros como la densidad, grado de humedad, cenizas, mezcla con contaminantes, etc. También cabe destacar dos aspectos importantes en el sector de la biomasa: El balance de CO 2 emitido es neutro. La combustión de biomasa, si se realiza en condiciones adecuadas, produce agua y CO 2, pero la cantidad emitida de este último gas, principal responsable del efecto invernadero, fue captada por las plantas durante su crecimiento Posible problemática con los campos de cultivo intensivo. Esto es debido a que las ayudas están en función de la cantidad de biomasa producida. Dicha situación puede llevar a un abuso de fertilizantes y de otros productos con el objeto de aumentar las subvenciones. Desafortunadamente, el abuso de estos productos puede llegar a producir: - Contaminación de suelos por exceso de uso de productos para abono como los nitratos y fosfatos. - Contaminación de aguas subterráneas por exceso de productos para abono. - Exceso de consumo de recursos hidráulicos. 04. Conclusiones Está clara la total dependencia que tenemos a día de hoy de los recursos fósiles, con la problemática que esto representa en cuestión de emisiones y también al ser una fuente de energía agotable. La necesidad de plantearse políticas energéticas, para con ello garantizar el suministro a los ciudadanos. Citadas políticas, deberán centrarse en nuevas energías y, en aquellas que puedan servir de apoyo al sistema, minimizando en la medida de lo posible el uso del petróleo. Fomentar el conocimiento en la sociedad de las nuevas energías y, de la necesidad de racionalizar el consumo energético, fomentando y mejorando el transporte público por ejemplo. Apostar por lo que se conoce como el mix energético, en definitiva, hacer uso del mayor número de energías posibles que no sean dependientes de los recursos fósiles, ya sea de forma directa e indirecta, o al menos que se haga el mínimo uso posible. Tomar conciencia en la política de subvenciones para las ER. Está claro que el Estado debe apoyar el desarrollo en el sector de las ER, pero lo que también está claro, es que el Estado, no puede financiar en el grado que lo está haciendo actualmente a empresas privadas. De ahí el gran revuelo suscitado por el cambio en las subvenciones. Apostar por la cooperación internacional para el desarrollo sostenible. Es de vital importancia cooperar con aquellos países en vías de desarrollo como China y la India. De este modo, garantizaremos en cierto modo un desarrollo que pueda ser soportado por el Planeta. 100 Ë septiembre/octubre 2007