domingo, 18 de mayo de 2014

Explorando los límites de la energía eólica (y II)

En el episodio anterior... Supongamos que durante las próximas décadas vamos a ser capaces de mantener, o más bien incrementar al ritmo que se considera "normal", nuestra prosperidad material (es decir, retomar lo que viene siendo la senda del crecimiento, tan elusiva últimamente). Como para esto nos hará falta mucha energía y los combustibles fósiles van escaseando cada vez más, supondremos también que seremos capaces de desplegar energías alternativas y medidas de eficiencia energética al ritmo suficiente y así, además, conjurar los enormes peligros de un cambio climático descontrolado. Por supuesto, contamos para ello con la energía eólica. Como la empresa es grande, necesitaremos que esta fuente de energía tenga un papel significativo y, como referencia de mínimos, podemos fijarnos en Dinamarca, donde el 34% de la generación eléctrica fue de origen eólico en 2012 según datos de BP 2013. Digo referencia de mínimos porque un 34% de la generación eléctrica es todavía una parte relativamente pequeña de las necesidades totales de energía primaria de una economía moderna. Aun así, alcanzar ese nivel de penetración eólica globalmente en las próximas décadas es un objetivo ambicioso: Dinamarca lo ha conseguido, pero es uno de los países más ricos del mundo y en el que el recurso eólico es especialmente abundante. En todo caso, ¿de cuánta energía estamos hablando? Pues de algo así como 2 TW de potencia continua equivalente. 

En este episodio toca intentar responder a la cuestión fundamental respecto de la factibilidad del "objetivo Dinamarca": ¿existe en la atmósfera y a nuestro alcance esa cantidad de energía? En términos más generales nos podríamos preguntar: ¿cuál es el potencial eólico global?. Sobre esta cuestión se ha escrito mucho y con resultados muy dispares. Tomaré como referencia los casos extremos en lo que yo he podido encontrar:
  • De Castro et al. 2011 (en adelante, de Castro) cifran el potencial eólico global que podemos extraer de forma razonable en 1 TW de potencia continua equivalente. Si estuvieran en lo cierto, el "objetivo Dinamarca" se esfumaría ante nuestros ojos como llevado por el (demasiado poco) viento.
  • Jacobson y Archer 2012 (en adelante Jacobson) consideran que el potencial eólico global a 100 m es unos 253 TW de potencia continua equivalente, es decir, unas 15 veces el consumo actual de energía primaria.
Conviene tener en cuenta, sin embargo, que cuando se habla de potencial eólico global se puede estar hablando de cosas muy distintas. Los mismos Archer y Jacobson lo explican muy bien en otro artículo (Archer y Jacobson 2013), donde distinguen entre:
  • Potencial teórico: la potencia máxima que puede extraerse de cierta capa de la atmósfera si no existieran limitaciones técnicas, prácticas o económicas
  • Potencial técnico: la parte del potencial teórico que puede extraerse con las tecnologías conocidas
  • Potencial práctico: la parte del potencial técnico que puede extraerse excluyendo áreas con limitaciones prácticas (remotas, con usos incompatibles o demasiado poco ventosas).  
  • Potencial económico: la parte del potencial práctico que puede extraerse económicamente con una determinada estructura de costes de producción y de precios de la energía.
El caso es que teniendo en cuenta este juego de definiciones uno se da cuenta de que de Castro y Jacobson no están hablando de lo mismo. El primero se refiere al potencial práctico en un sentido bastante estricto mientras que Jacobson da una estimación del potencial teórico. Con todo, la diferencia de concepto sólo explica una parte de la enorme diferencia de números: el propio Jacobson cita a de Castro y calcula que expresando ambas estimaciones en términos comparables, la suya es 22,5 veces mayor que la de de Castro (dando por buena la suya, por supuesto). Si esta comparación fuera correcta habríamos pasado de 253:1 a 22,5:1, que no está mal, pero las dos fuentes seguirían siendo demasiado discrepantes.

Lo que nos ocupa aquí es ver si es factible, al margen de condicionantes económicos, alcanzar el "objetivo Dinamarca" en algo así como un par de décadas. Siendo esta la cuestión, no cabe duda de que lo que nos concierne es el "potencial práctico". Y si las estimaciones de Jacobson son 22,5 veces mayores que las de de Castro, lo que tenemos hasta ahora es una horquilla entre 1 y 22,5 TW continuos equivalentes. El extremo inferior de la horquilla significaría decir adiós al objetivo Dinamarca. El extremo superior, en cambio, vendría a decir que nos podemos centrar en las limitaciones económicas, porque serían las únicas que podrían condicionar un papel protagonista de la energía eólica en un futuro más o menos cercano. ¿En qué parte de la horquilla se encuentra de verdad el potencial práctico de la energía eólica?

De Castro y Jacobson utilizan metodologías dispares. Jacobson emplea un modelo atmosférico global al que añade distintas hipótesis de potencia eólica instalada a base de repartir uniformemente millones de turbinas de 5MW. Las diferentes simulaciones indican que existe un techo de energía eólica extraída que no se puede superar por más que se incremente la capacidad instalada (ver gráfico 1). En la hipótesis de que se utilice toda la superficie del planeta para disponer turbinas, el valor de saturación de la energía extraída resulta ser de 253 TW, que se puede identificar con el potencial teórico (curva "Global SWPP" en el gráfico 1). Para un supuesto más "práctico" en el que las turbinas se distribuyen sólo sobre tierra firme excluyendo la Antártida, el valor de saturación es de 72 TW (curva "Land SWPP" en el gráfico 1). Estos 72 TW se convierten en 80 si se considera también la superficie marina con profundidad <200 m.
Gráfico 1. Extracción de energía en función de la capacidad instalada para las hipótesis Global SWPP (parques eólicos distribuidos uniformemente por toda la superficie del planeta) y Land SWPP (parques eólicos distribuidos uniformemente por toda la tierra firme excepto la Antártida) en el estudio Jacobson. En la hipótesis Global SWPP la cantidad de energía extraída se satura para un valor de 253 TW. En la hipótesis Land SWPP, el valor de saturación es 72 TW. Fuente: Jacobosn y Archer 2012.

De Castro, por el contrario, utiliza una estimación "top-down" (de lo general a lo particular), mucho menos sofisticada pero también consistente y desde luego más fácil de seguir. 
  1. El punto de partida es el total de energía disipada por el viento en el conjunto de la atmósfera, para la que toma el valor de 1200 TW, respaldado por otros estudios.
  2. Mediante tres cálculos diferentes establece qué fracción de esta energía se disipa en los primeros 200 m de espesor de la atmósfera, que es donde operan los aerogeneradores. Dos de los cálculos son independientes del valor inicial de 1200 TW. Curiosamente, para uno de ellos utiliza un estudio anterior de Archer y Jacobson para estimar una velocidad media del viento en la troposfera baja. Los tres cálculos coinciden en aproximadamente 100 TW.
  3. No es práctico poner parques eólicos en la Antártida, ni en la superficie de los océanos profundos, ni en ciudades, parques naturales, zonas permanentemente heladas, etc. Excluye por estas causas el acceso a un 80% de la energía disponible anterior. Nos quedan 100·0,2 = 20 TW.
  4. Las turbinas de los parques eólicos se tienen que disponer suficientemente separadas unas de otras para que no se estorben entre ellas (de otro modo, la eficiencia de cada una de ellas se reduciría). Por esta causa, parte del viento que atraviesa un parque eólico lo hace entre las turbinas, sin interactuar con ellas. La energía cinética de esa parte del viento se disipa de forma natural sin poder ser aprovechada. De Castro estima el factor de reducción por esta causa en 0,3. Nos quedan 20·0,3 = 6 TW.
  5. Por razones prácticas podemos excluir del desarrollo eólico las zonas poco ventosas. Los parques eólicos actuales están en zonas de clase 5-6 en cuanto recurso eólico; en una zona de clase 3 un parque produce la mitad que el mismo parque instalado en un lugar de clase 6. De Castro excluye las zonas de clase 1 y 2 del potencial práctico y echa mano otra vez del estudio anterior de Archer y Jacobson según el cual las zonas de estas clases ocupan aproximadamente el 75% del territorio y en ellas se disipa el 50% de la energía eólica. Ese 50% de energía queda fuera de nuestro alcance por motivos prácticos, y nos quedan 6·0,5 = 3 TW.
  6. Incluso en las zonas buenas, el viento no sopla siempre a la velocidad adecuada. Los vientos excesivos obligan a parar las turbinas y son estos vientos, precisamente, los que llevan más energía (la potencia eólica es proporcional al cubo de la velocidad). De Castro estima que el 25% de la energía se deja de aprovechar por este motivo. Nos quedan 3·0,75 = 2,25 TW, y el objetivo Dinamarca comienza a verse comprometido...
  7. Finalmente, la cantidad de energía cinética que una turbina puede transformar en electricidad está limitada por la ley de Betz al 59%. Si añadimos otras pérdidas, paradas de mantenimiento, etc. podemos redondear este factor al 50%. Al final tenemos: 2,25·0,5 = 1,125 TW. Estos son redondeados a la baja para dar dar el resultado final de 1 TW como valor del potencial eólico práctico. 
A mí los números de de Castro me parecen consistentes, pero discrepan enormemente de los resultados de Jacobson y esto me resulta incómodo. La discrepancia fundamental viene del origen: supuestamente, el modelo de Jacobson incorpora de forma natural los efectos que de Castro cuantifica en los factores de los puntos 4, 6 y 7 anteriores. Estos factores se componen en 0,3·0,75·0,5 = 0,1125. Entonces, la potencia cinética total disipada en la capa inferior de la troposfera en los escenarios de saturación de Jacobson es de 253/0,1125 = 2250 TW, es decir: 22,5 veces mayor que los 100 TW de los que parte de Castro. Por supuesto, la metodología de Jacobson tiene en cuenta aspectos dinámicos ausentes en la de de Castro: a medida que extraemos energía cinética de la capa inferior de la troposfera entrará más energía en ella procedente de capas superiores e incluso del incremento de los desequilibrios térmicos en superficie. Pero incluso así, 2250 TW disipados en la troposfera inferior resultan exagerados comparados con la mayoría de referencias. Emeis 2013 (p.5), por ejemplo, considera que las estimaciones de disipación de energía cinética total en la atmósfera son bastante robustas y están en valores del entorno de 1743 TW (de Castro considera 1200 TW).

Por otra parte, conviene tener presente que los efectos de saturación que detecta el análisis de Jacobson implican que una extracción a gran escala de energía eólica puede llegar a tener implicaciones negativas muy serias. En primer lugar, puede llegar a originar cambios sustanciales en el régimen natural de vientos, a escala local o global. Adicionalmente, puede llegar a reducir de forma muy significativa el factor de carga (relación entre potencia producida y potencia nominal), encareciendo el coste de la energía producida. Por ambos motivos no parece realista suponer escenarios más allá del punto en que las curvas del gráfico 1 comienzan a curvarse hacia abajo. Este punto podría situarse más o menos en 160 TW para la hipótesis Global SWPP y en más o menos 40 TW para la hipótesis Land SWPP. La diferencia entre ambas hipótesis es que la segunda concentra la capacidad instalada en una región (las tierras emergidas excepto la Antártida) cuatro veces más pequeña que la primera. Como, en un supuesto razonable de potencial práctico, la potencia instalada se concentraría aún más, aproximadamente en el 25% de superficie con mejores recursos (paso 5 del análisis de de Castro), no me parece descabellado situar el punto límite de la curva para esta distribución de turbinas en alrededor de 10 TW.  Así pues, incluso aceptando los resultados de Jacobson, 10 TW se presenta como un valor razonable del potencial práctico de la energía eólica.

En este punto, en el que tenemos ya una horquilla de entre 1 y 10 TW, estamos en línea con la conclusión general de Emeis 2013 (p. 5): "Probablemente, una cifra de un sólo dígito expresada en TW sea una estimación realista de la energía eólica que podemos extraer de la atmósfera terrestre". Tengo para mí que esta conclusión es razonable. Si la aceptamos, el "objetivo Dinamarca" solo sería alcanzable si el extremo inferior de la horquilla resultara excesivamente pesimista. Si ese fuera el caso, solo habría que vencer los condicionamientos económicos. Pero, en cualquier caso, tampoco deberíamos contar con una contribución excesiva de la energía eólica en un hipotético futuro renovable: 10 TW es menos de la mitad de la demanda de energía primaria previsible dentro de unas décadas en los escenarios de crecimiento al uso. Como dice
 Emeis 2013 (p. 5), es evidente que la energía eólica puede ser solo parte de la solución.

Fuentes:

Archer, C.L. y Jacobson, M.Z. (2013): Geographical and seasonal variability of the global "practical" wind resources. Applied Geography 45:119-130

De Castro C., Mediavilla M., Miguel L.J., Frechoso F. (2011): Global wind power potential and technological limits. Energy Policy 39:6677–6682

Emeis, S. (2013): Wind Energy Meteorology. Atmospheric Physics for Wind Energy Generation. Springer. ISBN 978-3-642-30522-1

Jacobson, M.Z. y Archer, C.L. (2012): Saturation wind power potential and its implications for wind energy. PNAS, vol. 109, 39:15679-15684

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