martes, 27 de enero de 2015

El potencial hidroeléctrico global, por si acaso

Cuando se habla de renovables pocas veces se incluye a la energía hidroeléctrica. Se me ocurren varias razones posibles para explicar esto. La primera y más importante es que, por muy renovable que sea, su implementación ocasiona pérdidas medioambientales irrecuperables, por lo que no goza de mucho prestigio como energía verde. Otra es que "energías renovables" suena muy moderno y la hidroelectricidad, en cambio, es un auténtico clásico en la historia de la generación eléctrica: ¡se utiliza desde los tiempos de Edison!. Y finalmente puede que influya también el hecho de que globalmente la energía hidroeléctrica no puede dar de sí mucho más de lo que ya está dando, que es más o menos un 17% de la generación eléctrica total y un 3% de la producción total de energía primaria. Es decir, que se sabe que la energía hidroeléctrica nunca nos va a sacar de pobres, por lo cual no se espera de ella tanto como de las otras renovables.

Con todo, alguna que otra vez, en conversaciones informales sobre el apasionante asunto de los problemas de escasez energética que enfrenta nuestra civilización oigo cosas del estilo "¡pero si quedan un montón de ríos por ahí de los que aun se puede sacar muchísima electricidad!". Espoleado por este tipo de comentarios me he entretenido un buen rato en hacer una estimación más o menos detallada del potencial global de energía hidroeléctrica. Y de eso es de lo que va este artículo.

Comencemos por el principio: la energía hidráulica no es más que la energía que disipa el agua de los ríos en su descenso hacia el mar. Y las centrales hidroeléctricas no son otra cosa que dispositivos ingeniosos para captar parte de esa energía y ponerla a nuestro servicio en forma de electricidad. Así que podemos empezar con el agua de lluvia. ¿Cuánta agua de lluvia tenemos disponible?. El World Water Assessment Programme (WWAP), promovido por UNESCO, tiene publicados en internet unos "datos temáticos" sobre el agua de los que he tomado los datos globales de precipitación media anual en rejilla de 0,5º. Si prescindimos de la Antártida y de la región ártica por encima de la latitud 72ºN (no creo que nadie piense que las precipitaciones en esos territorios tengan interés hidroeléctrico), la precipitación media sobre la tierra firme según estos datos es de 800 mm/año. Esos 800 mm no se reparten por igual en el territorio sino que varían entre un mínimo de 0 y un máximo de ¡7.481! (en algún punto de la cuenca alta del Amazonas). El mapa de la figura 1 intenta dar una idea de cómo es ese reparto.
Figura 1. Mapa de precipitación media anual (mm) a partir de datos de WWAP

Pero no toda el agua de lluvia que cae sobre la tierra firme acaba en algún río para volver al océano. Una buena parte se evapora y regresa a la atmósfera, evitando contribuir a cualquier producción hidroeléctrica que se nos ocurra. Por eso, el dato relevante no es tanto el de precipitación como el de escorrentía. Afortunadamente, entre los datos temáticos del WWAP también se incluyen datos en rejilla de 0,5º de escorrentía media anual. En este caso, el promedio global es de 342 mm y el reparto, también irregular, se muestra en el mapa de la figura 2.

Figura 2. Mapa de escorrentía media anual (mm), a partir de datos de WWAP

Tenemos por tanto que el 43% del agua caída como precipitación sobre la tierra firme vuelve al mar en forma de escorrentía disipando energía potencial a lo largo de su camino descendente. ¿De cuánta energía estamos hablando?. Pues aquí tenemos que dar entrada a otra variable: la altitud, ya que la energía de la que estamos hablando es proporcional a la altura que se recorre en ese camino descendente. Para la a altitud he tomado un modelo digital del terreno global a 0,25º publicada en la web de TEMIS (un proyecto de la ESA). El mapa de la figura 3 está elaborado con dichos datos.
Figura 3. Mapa de altitud (m) a partir de datos de TEMIS

Y ahora sí, ¿de cuánta energía estamos hablando? Pues se trata de multiplicar en cada punto de la rejilla la altitud por la escorrentía y aplicar un factor nos convierta ese producto en unidades de energía. Como nos tenemos que referir a una unidad de tiempo (la escorrentía viene en mm anuales) estamos hablando más bien de potencia y para expresarlo en términos relativos a una unidad de área voy a utilizar como unidad el kW/km2. Los kW se refieren a potencia continua equivalente, es decir, la potencia que aplicada durante un año genera la energía anual correspondiente. El factor que convierte el producto de los datos de la figura 2 (mm/año) y los de la figura 3 (m) en kW/km2 es aproximadamente 0,00031. Efectuando la operación se llega a los datos en rejilla de 0,25 que han servido para elaborar el mapa de la figura 4. Sale un promedio de 53,7 kW/km2, pero muy mal repartido. Si integramos este valor en toda la superficie de tierra firme considerada tenemos un total de 6,99 TW de potencia continua equivalente disipada por el agua de escorrentía en su movimiento descendente hacia el mar. 
Figura 4. Mapa de energía potencial del agua de escorrentía en su lugar de origen (kW de potencia continua equivalente por km2)

Hasta aquí esto son habas contadas: en la medida en que los datos de partida estén bien (y a mí me parece que lo están), la energía potencial de la escorrentía supone unos 7TW de potencia continua equivalente. Sin embargo, esta energía se origina de forma muy dispersa (por ejemplo: la energía solar incide en la superficie terrestre unas 4.000 veces más concentrada). Si la podemos aprovechar es gracias a que las cuencas hidrográficas se encargan de concentrarla de forma natural en los ríos. Esto quiere decir que el primer tramo del descenso hacia el mar, el que discurre por laderas, regueros e incluso bajo la superficie, no es aprovechable por estar la energía demasiado dispersa. Entonces, ¿qué parte de los 7TW son energía hidráulica propiamente dicha, es decir, la que se nos presenta convenientemente concentrada en un cauce?

El paso de malla de los datos de altitud es de 0,25º, es decir, unos 25 km en el ecuador y nunca menos de 7 km. Es razonable suponer, por tanto, que la parte "dispersa" del descenso se resuelve dentro de cada celda de la rejilla. Aquí asumiré la hipótesis de que la parte "dispersa" del descenso de la escorrentía que se origina en una celda es la mitad del descenso en esa celda. El descenso dentro de cada celda lo estimo como la diferencia de altitud entre la celda y la vecina más baja, entendiendo que el agua de escorrentía que sale de una celda pasa a su vecina más baja. Aplicando este criterio se puede calcular una "altitud efectiva", más baja que la de la figura 3, y que estima la altitud a la que se inicia la etapa "hidráulica" del descenso de las aguas de escorrentía. La figura 5 muestra el mapa de altitudes efectivas. Es muy parecido al de la figura 3, pero con valores más bajos: la altitud media que resulta del mapa de la figura 3 es de 643 m y la altitud efectiva media del mapa de la figura 5 es de 572 m.
Figura 5. Mapa de altitud efectiva (m)

Así que, entonces, ¿de cuánta energía estamos hablando ahora?. Pues basta con repetir la operación que hicimos antes pero con los datos de altitud efectiva. En forma de mapa, los resultados son los de la figura 6, muy parecidos a los de la figura 4 pero un poco más bajos. El promedio global es ahora de 5,85 TW, lo que significa que la parte dispersa de la energía del agua de escorrentía supone un 16% del total (la estima me parece razonable). El 84% restante, ahora sí, es energía hidráulica propiamente dicha: energía que se disipará en cauces de ríos salvo que hagamos algo para impedirlo. Y, en principio, aquí sí podemos hacer algo: captarla mediante centrales hidroeléctricas.  
Figura 6. Dónde se origina el potencial hidráulico teórico (kW/km2) 

Una aclaración sobre el mapa de la figura 6: los colores señalan las zonas donde se origina la escorrentía portadora de energía hidráulica, pero el lugar de aprovechamiento puede estar en lugares muy alejados del origen. La presa de Asuán, en pleno desierto, convierte parte de la energía potencial que traen de las aguas del Nilo desde las tierras altas de Uganda, Etiopía y Sudán del Sur.

Pues bien, tenemos 5,85 TW de potencia continua equivalente en energía hidráulica. Ese es, al menos según mis cálculos, el potencial hidráulico teórico global. Pero se trata de un potencial teórico: en la práctica es imposible aprovecharlo al 100%. Veámoslo:
  • No es realista suponer que podemos utilizar todo el recorrido de todos los ríos para captar energía hidráulica. En muchos lugares no habrá ubicaciones propicias para construir presas, o serán demasiado remotas, o no compensará inundar determinados territorios o destruir determinados sistemas fluviales, etc. Estimo que, por consideraciones prácticas, hay un 50% de la altura efectiva que no se puede llegar a aprovechar.
  • No es realista suponer que podemos utilizar todo el caudal de los ríos. El caudal varía en el tiempo y en ocasiones la diferencia entre las grandes crecidas y los caudales normales puede ser muy grande. No es práctico dimensionar los embalses o las centrales para regular o turbinar todo el rango de caudales posibles por lo que durante los episodios que superen cierta magnitud, parte del caudal se dejará pasar sin ser aprovechado. Estos episodios de caudales grandes, aunque esporádicos, concentran una buena parte de la aportación total. Estimo que el 50% de la energía hidráulica que discurre por tramos con aprovechamiento hidroeléctrico se pierde por esta causa.
  • Como toda transformación energética, la generación hidroeléctrica tiene una pérdida. En este caso, los rendimientos son altos y creo que es razonable suponer que la pérdida es de sólo un 10%.
Juntando todo esto, mi estima para el potencial hidroeléctrico global es de 0,5·0,5·0,9·5,85 = 1,32 TW de potencia continua equivalente. Esto da para cubrir más o menos la mitad de la generación total de electricidad al nivel de 2012 o, aproximadamente el 10% de la producción global de energía primaria de ese año. La generación hidroeléctrica en 2012 fue de 0,42 TW, es decir, que ya estamos aprovechando el 31,5% del potencial. Así que de acuerdo, quedan por ahí muchos ríos de los que poder sacar energía, pero me parece que por mucho que nos empeñemos esa energía no va a ser suficiente para cambiar sustancialmente el panorama. Y con las pérdidas medioambientales irrecuperables que origina, no sé yo si merece la pena empujar mucho por esa vía... 

Detalles metodológicos, también por si acaso:
  • La asignación de valores de escorrentía de la rejilla de 0,5º a puntos de la rejilla de 0,25º del mapa de altitud se ha hecho por vecino más próximo. Dada la estructura de las dos rejillas (se puede consultar en las fuentes), cada celda de 0,5º está embaldosada por 4 celdas contiguas de la rejilla de 0,25º, por lo que esta asignación es perfectamente adecuada.
  • Para promediar o agregar los datos de rejilla en valores globales se considera que cada dato representa una superficie de (10.000/90)^2·p^2·cos(lat) km2, donde p es el paso de malla en grados geográficos y lat es la latitud del punto. Un punto en el ecuador representa una superficie de 771,6 km2. Uno en el paralelo 72 representa 238,4. La superficie total de las tierras emergidas consideradas (se excluye la Antártida y los territorios árticos por encima del paralelo 72ºN) es de 130 millones de km2
  • El mar Caspio tiene altitud negativa, como se ve en la figura 3. Por simplicidad en los cálculos, he asimilado a 0 las altitudes negativas. Esto resta potencial hidroeléctrico a la cuenca del Volga y los otros ríos que vierten al mar Caspio, pero el impacto global es muy pequeño.
  • El factor de conversión de escorrentía (mm/año)·altitud (m) en potencia continua equivalente por unidad de área (kW/km2) viene de aquí:
1mm/año·1m x 1000m3/(mm·km2) x 1000kg/m3 x 9.8N/kg x 1J/(1N·m) x 1año/365d x 1d/86400s x 1kW·s/1000J = 0,0003108 kW/km2
  • Los dos factores de reducción del 50% para el potencial teórico no son independientes aunque se han presentado como tales por claridad expositiva. En general, cuanto más regulamos una cuenca mediante embalses, más altura efectiva aprovechamos y más fracción de caudal puede ser aprovechada. Los valores son discutibles, pero un factor de reducción de 0.25 por razones prácticas me parece razonable.
Fuentes:

Los datos sobre estadística de producción de energía se han tomado de la U.S Energy Information Administration International Energy Statistics y se refieren a 2012, que es el último año con datos actualizados en el momento de consultarlo (27-01-2015)

Los datos temáticos sobre agua del World Water Assessment Programme están aquí

Los datos de altitud de TEMIS se pueden obtener aquí

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