Un poco de ciencia, por favor

Es la hora de las energías renovables

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

 

(Parte del contenido de este artículo está recogido de forma más amplia y detallada en el Prólogo de mi libro: "Energía Solar. De la utopía a la esperanza"; 2020, Guillermo Escolar Editor)

A pesar de la desaceleración económica global motivada por el impacto de la pandemia del Covid-19, la capacidad energética renovable mundial aumentó en 2020 en una cifra récord: más de 260 nuevos gigavatios (GW) instalados, con un incremento de casi un 50% con respecto a 2019, según los datos publicados por la Agencia Internacional de Energías Renovables (Irena):

Datos de potencia instalada acumulada en el mundo de las principales tecnologías renovables a finales de 2020: Hidroeléctrica: 1.153 GW (1.133 en 2019); Eólica 732 GW (651 GW en 2019); Fotovoltaica: 707 GW (630 GW en 2019). La capacidad renovable instalada acumulada en el planeta en 2020, contabilizando todas las tecnologías, fue de 2.800 GW

 

Más del 80% de la nueva capacidad eléctrica agregada en 2020 fue renovable, con la energía solar y eólica representando el 91% de las nuevas renovables. En el caso de España, la capacidad total de renovables creció al cierre de 2020 hasta los 59.108 MW, con la instalación de 4.330 MW en el pasado ejercicio. Con estas cifras, la proporción de energía renovable en el "mix" energético español se sitúa en el 53,6%, frente al 49,8% de 2019.

Parece claro que la utilización masiva de las energías renovables es la única opción de la que disponemos a largo plazo para un suministro de energía continuado, seguro y sostenible. Hay varias razones esenciales para propiciar su uso masivo:

i) No es posible seguir utilizando los combustibles fósiles sin alterar de manera irreversible el clima. La combustión del carbón, gas y petróleo producen elevadas emisiones de CO2, que provocan el conocido como efecto invernadero, principal responsable del Calentamiento Global. Es un hecho que los combustibles fósiles se agotan: nos encontramos en el pico de producción de petróleo, gas y carbón. Además, la mayoría de las reservas de estos combustibles se encuentran en países políticamente inestables, por lo que sustituirlos es o debería ser una absoluta prioridad.

ii) La fisión nuclear plantea infinidad de problemas: el coste, la seguridad y la disponibilidad a largo plazo del combustible. No es verosímil que vaya a representar una alternativa energética digna de mención. Respecto a la fusión nuclear, el reto tecnológico que suponen estos reactores, todavía en fase de experimentación, hace que no sea posible considerarlos como una alternativa, al menos en el medio plazo: las estimaciones más optimistas indican que no antes de 2060 estarán funcionando los primeros reactores de fusión.

 

1. Potencialidad de los principales recursos renovables

La magnitud de los principales recursos renovables se puede entender mejor con unos datos y una imagen:

La radiación solar que incide en la superficie de la tierra durante un año es equivalente a 126.000 TW, lo que representa 7.000 veces el consumo total de energía del planeta. La gran mayoría se invierte en el calentamiento del aire, la tierra y los océanos. Otra parte la convierte la naturaleza en biomasa mediante el lento proceso de la fotosíntesis; que aprovechamos parcialmente en forma de alimentos. También utilizamos la energía solar almacenada durante miles de años en forma de combustibles fósiles. Así pues, la mayoría de esa energía no puede aprovecharse directamente, pero alrededor del 1%, unos 1.200 TW de radiación directa son accesibles para su aprovechamiento en forma de calor o de conversión en energía eléctrica.

El viento es una forma de energía solar transformada. Su potencial es enorme (370 TW) aunque su utilización práctica también se reduce sustancialmente a 40-70 TW.

El ciclo del agua debido a los ríos con caudales renovados mediante la lluvia proporciona 34.000 TW, pero sólo una muy pequeña fracción de entre 3-4 TW puede aprovecharse en embalses y presas hidráulicas.

Por comparación, el consumo de energía mundial en 2019 fue 20 TW. La siguiente figura muestra en términos comparativos el potencial de los principales recursos. Hay otras fuentes de energía renovables (biomasa, geotermia, energía mareomotriz, etc.), pero dado su menor capacidad en comparación con los tres principales no los analizaré aquí:

Izquierda: Potencial de las energías renovables. Derecha: Potencial utilizable de los principales recursos renovables al cabo de un año. El área de cada círculo es aproximadamente proporcional al potencial de cada recurso. También se muestra a escala el consumo de energía del planeta en 2019. La escala de las dos gráficas no es la misma, obviamente

 

Los detalles del potencial de la energía solar se pueden ver en el siguiente vídeo:

 

2. Tecnologías renovables: situación actual

 Hidroeléctrica. Las grandes presas hidráulicas fueron las primeras en utilizar el movimiento del agua para generar electricidad. Las centrales hidroeléctricas utilizan una tecnología muy madura y desarrollada desde los comienzos del siglo XX. En la actualidad, las centrales hidroeléctricas representan la mayor fuente de electricidad de origen renovable; en el mundo había instalada al final de 2020 una capacidad de 1.153 GW. Cerca del 16% de la electricidad producida en el mundo es de origen hidroeléctrico.

Solar térmica y solar fotovoltaica. Los colectores térmicos para retener el calor proveniente del sol y obtener agua caliente son un procedimiento simple y económico y está ampliamente extendido por todo el mundo. Por otra parte, la energía solar termoeléctrica, que concentra la radiación solar con espejos en un foco que calienta agua y genera vapor para mover una turbina y así producir energía eléctrica se está desarrollando para su utilización a gran escala en zonas desérticas, aunque hoy por hoy su tecnología es muy costosa y su despliegue es todavía poco significativo, ya que en todo el mundo apenas llega a 6.2 GW. Con gran diferencia, la tecnología solar cuyo uso está más generalizado es la fotovoltaica. Al final de 2020 había instalados un total  de 707 GW en todo el mundo, como ya hemos visto en la figura inicial de este artículo.

Eólica. La energía eólica es básicamente una forma indirecta de energía solar, ya que el viento se origina por el calentamiento del aire, de la tierra y del mar por la radiación solar, fenómeno que se hace especialmente relevante en lugares montañosos o en las costas marinas. La energía que se puede obtener de un molino es proporcional al área que barren las aspas y al cubo de la velocidad del aire. Por lo tanto, cuanto más grande sea el rotor y cuanto más viento sople, más energía se obtiene. Hoy día, la energía eólica es la segunda fuente de obtención de energía de fuentes renovables, detrás de la hidráulica. A finales de junio de 2020 había instalada en todo el mundo una potencia de 732 GW, cantidad prácticamente idéntica a la fotovoltaica.

 

3. Tecnologías renovables: problemas

Variabilidad de los recursos renovables

Por su propia naturaleza, las fuentes renovables son variables. Esta es la principal razón que se invoca en contra de su utilización masiva. Mientras la contribución renovable se mantenga en el entorno del 20-30% del total, los sobrecostes del sistema para compensar esa variabilidad son asequibles en general, sobre todo si se contabilizan como beneficios las principales "externalidades": los abaratamientos por las emisiones de CO2 evitadas y por las importaciones de combustible ahorradas. Sin embargo, si las energías renovables suministran una mayor proporción de la energía a la red eléctrica, son necesarias otras medidas que aseguren el suministro. Este problema, no menor, lo analizaré en otros artículos.


Carácter difuso de los recursos renovables e impactos sobre el medio ambiente

La mayoría de los flujos renovables son por naturaleza difusos, es decir, transportan una baja densidad de energía, por lo que la captura de cantidades significativas de energía implica grandes áreas de terreno, sobre todo en el caso de la energía solar fotovoltaica y de la eólica. En ambas situaciones se producen grandes impactos visuales que suelen generar rechazo en las poblaciones locales.

Las grandes centrales hidroeléctricas también tienen impactos medioambientales severos, piénsese en la presa de las Tres Gargantas en el río Yang-Tse en China o en la presa de Itaipú, en la frontera entre Paraguay y Brasil.


Coste de los recursos renovables

Una última consideración es el coste de los recursos renovables. La mayoría de las tecnologías renovables son relativamente nuevas, por lo que son poco maduras en términos tecnológicos y como cualquier nueva fuente de energía, requieren de largos períodos de desarrollo y maduración. Esto hace que el coste de la unidad de energía producida sea elevado, aunque se están reduciendo rápidamente al generalizarse el uso de dichas tecnologías. De hecho, en determinadas ubicaciones geográficas caracterizadas por altos niveles de insolación y/o muy ventosas, la tecnología eólica y la solar fotovoltaica ya son las tecnologías más baratas de producción de electricidad:

Las fuentes de obtención de energía eléctrica más barata en diversos países, según la tecnología de producción: en azul, eólica; en amarillo-naranja, fotovoltaica y en negro, carbón. Fuente: Jeremy Hodges, "Wind, Solar Are Cheapest Power Source in Most Places". Bloomberg Green, 19-octubre-2020

 

4. A modo de conclusión (abierta)

Uno de los motivos que impiden los cambios bruscos o rápidos en la composición del "mix" energético de cualquier país son las cuantiosas inversiones necesarias para poner en marcha las infraestructuras energéticas, ya que implican largos períodos de amortización, en muchas ocasiones de hasta 50 años. Cerca del 50% de la capacidad eléctrica instalada en el mundo tiene menos de 20 años de vida y dado que una central de producción de energía eléctrica tiene una vida media de unos 50 años, esto quiere decir que los cambios de unas fuentes energéticas por otras se producen de forma relativamente lenta.

Las fuentes de energía renovables modernas (solar y eólica principalmente), que serían las que deberían suplir a los combustibles fósiles, representan hoy en día poco más del 10 % de la energía eléctrica producida en el planeta, por lo que la posibilidad de que reemplacen a los combustibles fósiles en un plazo de tiempo no muy dilatado se presenta como un objetivo no exento de dificultades.

A esto se une el hecho de que un futuro energético sostenible también requerirá dedicar especial atención a cómo se utiliza la energía, para evitar desperdiciarla. Todo lo que se haga por mejorar el uso eficiente de la energía es poco y las energías renovables ofrecen un amplio abanico de opciones respetuosas con el medio ambiente y con muy bajas o nulas huellas de carbono.