Las energías renovables y su impacto en el balance energético mundial

Conferencia impartida por el doctor Manuel Romero Álvarez del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat) de España, durante el coloquio Nuevas tecnologías para el sector eléctrico del siglo XXI, realizado con motivo del XX aniversario del IIE.

Doctor Manuel Romero Álvarez

Las energías renovables

La conjunción de factores energéticos, medioambientales, tecnológicos, económicos y sociales, y el objetivo de cubrir necesidades energéticas sin tener que utilizar recursos naturales agotables, han motivado que exista un desarrollo apreciable de las tecnologías de producción de electricidad a partir de energías renovables. Una serie de estudios recientes cifra la contribución de esta tecnología en el 20-50 por ciento mundialmente hacia el año 2050. En Europa, el objetivo es alcanzar una contribución del 15 por ciento en el año 2010.

En España, la aportación actual de las energías renovables al balance energético nacional es del cinco por ciento. La biomasa y la energía hidráulica son cuantitativamente más importantes. La energía eólica se está constituyendo en forma acelerada en una opción de peso en el conjunto de las energías renovables, siendo la energía solar, a pesar de su enorme potencial, la que tiene una implantación actual más modesta.

En la penetración de las energías renovables está jugando un papel esencial la creación de la figura del autoproductor de electricidad, así como el marco tarifario que reconoce precios de venta de la electricidad estimulados por existir menores externalidades asociadas con este tipo de energías (figura 1). Por otra parte, la contaminación atmosférica producida por la emisión de CO2, SO2, NOx, compuestos orgánicos volátiles y partículas, puede verse reducida por el uso de energías renovables.


FIG. 1
Energías renovables. Decremento del costo de producción de electricidad.



Además de los beneficios medioambientales relacionados con su carácter limpio, las energías renovables garantizan el suministro energético mediante la diversificación; generan un importante aumento del empleo, principalmente en pequeñas y medianas empresas; estimulan el desarrollo regional, y facilitan la transferencia de tecnología y la cooperación, sobre todo en países en vías de desarrollo.

La energía fotovoltaica cuenta con un mercado mundial estable
gracias a su modularidad y fácil aplicación
en sistemas aislados y en ciertas conexiones a la red.

Energía eólica

La energía eólica es hoy en día una de las fuentes más baratas, con tecnología de aprovechamiento totalmente madura y puesta a punto. Además, puede competir con otras fuentes energéticas tradicionales como las centrales térmicas de carbón o las centrales de combustible. Las cifras más recientes facilitadas por la Agencia Internacional de la Energía (AIE) estiman una potencia instalada en el mundo de 3 500 MW (finales de 1994). Destacan la Unión Europea (1 675 MW) y Estados Unidos (1630 MW) (figura 2).

FIGURA 2
Energía eólica. Capacidad instalada en el mundo.

Sin embargo, las cifras disponibles a finales de 1994 se están viendo eclipsadas por el incremento del número de aerogeneradores. Alemania ha instalado en tan sólo dos años 600 MW y se acerca ya a un total de 800 MW. En Dinamarca, la energía eólica es la octava actividad industrial del país. Al liberar el mercado eléctrico y ofrecer beneficios fiscales a los productores, la India ha pasado de no tener prácticamente nada en 1993 a 120 MW a finales de 1994 y cerca de 400 MW en la actualidad. La previsión de la AIT de alcanzar 10 000 MW instalados en el mundo para el año 2000 (4 000 en Europa y 4 000 en Estados Unidos), puede verse así superada con creces.
La tecnología eólica más rentable está en los aerogeneradores conectados a red, con turbinas de potencias intermedias (150-500 kW). Actualmente los esfuerzos de desarrollo tecnológico se concentran en la próxima generación de turbinas comerciales en el rango de 1 000 a 1 500 kW. Europa juega un papel de liderazgo con el 90 por ciento de los fabricantes mundiales (de los 25 fabricantes europeos, cuatro son españoles). Se trata de una industria con un fuerte impacto en el empleo, se estiman cinco hombres-año por cada MW instalado. En 1994, más de 6 000 europeos trabajaban en la industria eólica.

Se considera que el grado de penetración (fracción de suministro) de la energía eólica en grandes redes de distribución eléctrica puede alcanzar sin problemas del 15 al 20 por ciento del total sin especiales precauciones en la calidad del suministro ni en la estabilidad de la red. En la isla de Fuerteventura (Islas Canarias), los 20 MW del parque eólico de Cañada del Río cubren el 25 por ciento de las necesidades eléctricas de la isla.

Los avances en la aerodinámica han incrementado el rendimiento de los aerogeneradores del 10 hasta el 45 por ciento. En buenos emplazamientos, con vientos medios anuales superiores a los 5 m/s a 10 metros de altura, se consiguen producciones eléctricas anuales por metro cuadrado de área barrida superiores a los 1 000 kWh. El tamaño medio de los aerogeneradores actuales es de 300 kW con rotores de 30 metros de diámetro. Existe una tendencia generalizada hacia las máquinas tripala, que representan más del 80 por ciento de los aerogeneradores instalados; sin embargo, a medida que aumenta el diámetro del rotor se va incrementando el número de modelos bipalas, aproximándose a 30 por ciento de los modelos de media potencia.

Los materiales que tradicionalmente se han utilizado en la fabricación de las palas de los aerogeneradores se han visto desplazados por la utilización de plásticos. En particular existe una tendencia clara hacia el uso de fibras de vidrio/poliéster y fibra de vidrio-epoxy (66 por ciento). Han aparecido también, fabricadas en el Reino Unido, palas de laminados madera-epoxy que demuestran tener buenas características contra la fatiga.

La potencia generada por el aerogenerador se controla esencialmente por dos métodos: control por pérdida aerodinámica y control por cambio de paso. La tendencia a fabricar aerogeneradores de paso fijo controlados por pérdida aerodinámica generalizada en tamaños de 20-25 metros de diámetro va desapareciendo a medida que aumenta el tamaño. La tendencia se invierte y en aerogeneradores de gran potencia el cambio de paso supone el 70 por ciento del total.

Los futuros desarrollos tecnológicos buscan la reducción de costos mediante la elección de conceptos simplificados como, por ejemplo, el uso de trenes de potencia modulares, diseños sin caja de multiplicación, sistemas de comunicación pasivos y con orientación libre. Los desarrollos inciden también en la reducción de cargas mediante articulaciones y con sistemas de velocidad variable, con control de par, reduciendo las fluctuaciones, lo cual se traducirá en trenes de potencia más ligeros y baratos. Los nuevos diseños buscan, asimismo, la reducción del impacto visual y la disminución del ruido aerodinámico.

Centrales termosolares

La producción de electricidad a partir de energía solar presenta a priori un mayor potencial de emplazamientos que la de origen eólico. No obstante, tanto las centrales termosolares como las fotovoltaicas se encuentran todavía en una etapa anterior de penetración comercial, con una situación análoga a la que planteaban los aerogeneradores al principio de los años ochenta. Los desarrollos actuales darán lugar a una tecnología madura y competitiva, lista para su comercialización en un plazo de diez años.

Las centrales termosolares para producción de electricidad usan concentradores solares por reflexión para alcanzar las temperaturas requeridas en la operación de los ciclos termodinámicos. Los tres conceptos de concentración solar utilizados son:

a) Concentradores cilindroparabólicos (CCp). Concentradores de foco lineal con seguimiento en un sólo eje. Presentan concentraciones de la radiación de 30 a 80 veces y potencias por campo unitario de 30 a 80 MW.

b) Centrales de torre. Consisten en un campo de helióstatos que siguen la posición del sol en todo momento (elevación y acimut) y orientan el rayo reflejado hacia el foco superior de una torre. Los órdenes de concentración son de 200 a 1 000 y las potencias unitarias de 30 a 200 MW.

c) Discos parabólicos. Pequeñas unidades independientes con reflector parabólico, habitualmente conectado a un motor Stirling situado en el foco. Los niveles de concentración son superiores (1 000-4 000) y las potencias unitarias van de 7.5 a 25 kW.

Los CCp constituyen la única tecnología solar térmica disponible comercialmente para la producción de electricidad. Las plantas SEGS (Solar Electric Generation System) de California suministran una potencia pico de 354 MW (más del 80 por ciento de toda la electricidad solar en el mundo, incluyendo la fotovoltaica). A pesar de la drástica reducción de costos de las plantas SEGS (se han alcanzado de los 13 a los 15 centavos de dólar por kWh en la planta SEGS IV), todavía se necesitan mejoras adicionales de tecnología para reducir costos.

Es en Europa en donde se desarrollan iniciativas conducentes a la implantación de las plantas de CCp. Un estudio reciente, financiado por Endesa de España con ayuda de la Unión Europea y la participación de las empresas Ciemat y Flagsol, ha mostrado que la integración de estas plantas con bloques de potencia de ciclo combinado son la mejor opción para implantar la tecnología actual (colector LS3). También se ha realizado un estudio de viabilidad de una planta solar pura en Marruecos de 80 MW. La conclusión más importante de estos estudios es que la tecnología precisa desarrollos adicionales que permitan rebajar los costos de inversión y aumentar la eficiencia en la producción de electricidad.

Con estos objetivos surgió el proyecto DISS, que agrupa a varias empresas europeas especializadas, cuyo producto final será un colector mejorado basado en la generación directa de vapor en el tubo, que producirá un 20 por ciento más de electricidad que el actual LS3 y reducirá en 15 por ciento los costos de inversión. Esto dará lugar a una reducción de 30 por ciento en el costo de la electricidad producida. El proyecto se culminará para el año 2001 y tiene como escenario de trabajo el Mediterráneo.

En el caso de las centrales de torre, el esfuerzo más importante se centra en Estados Unidos. Aunque han existido desarrollos importantes en Europa, Japón, Israel y Rusia, solamente la central Solar One de 10 MW en Barstow, California, ha conseguido operar regularmente y generar datos suficientes de conexión a red. La central Solar One (con receptor agua/vapor) está siendo modificada para trabajar con sales fundidas (Solar Two) este año. En paralelo, en Europa se llevan a cabo actividades relacionadas con el uso de aire en receptores volumétricos mediante ensayos conjuntos de la Agencia Aeroespacial Alemana y Ciemat en las instalaciones de la plataforma solar de Almería, al sur de España.

En España se encuentra en marcha la primera fase del proyecto Solgas que propone una planta solar de torre con ciclo combinado y cogeneración, usando tecnología probada de helióstatos y un receptor de vapor saturado. Al participar dentro de la convocatoria Thermie de la Unión Europea, se espera continuar el proyecto para la construcción de una planta en el sur de España con una inversión de 50 millones de dólares, donde el campo de helióstatos proporcionaría unos 24 MW térmicos al ciclo termodinámico. Esta planta podría convertirse en el primer proyecto de carácter comercial con centrales de torre. No obstante, el programa más ambicioso en este campo es el Solar Parks en Estados Unidos, que prevé la construcción de tres parques con centrales de 100 y 200 MW en Nevada, California y Arizona, con el objetivo de alcanzar los 2 400 MW instalados en el año 2050.

La tercera tecnología de concentración, la de discos parabólicos, ha evolucionado tanto en Estados Unidos como en Europa hacia la construcción de unidades autónomas conectadas a motores Stirling. Esta configuración ha proporcionado récords de rendimiento con eficiencia del 30 por ciento y unidades de 25 kW; son sistemas que no precisan agua y que pueden ser fácilmente combinados con quemadores de gas.

En Estados Unidos existe una alianza entre el DOE, Cummins Power Generation y los Laboratorios Sandia, para desarrollar un sistema-disco Stirling competitivo comercialmente en aplicaciones en emplazamientos aislados. Cummins prevé desarrollar unidades de 5 kW para uso en bombeo y electrificación rural. En Europa, la compañía Schlaich, Bergermann and Partner (SBP) ha desarrollado unidades de 7.5 metros de diámetro, las cuales se han probado satisfactoriamente en la plataforma solar de Almería. Un proyecto en marcha de la Unión Europea con la participación de SBP y Ciemat pretende producir en dos años una unidad plenamente competitiva.

Para el rango de temperatura de operación previsto en los receptores (400-650 C), no existe hoy en día una clara selección entre centrales de torre y CCp. Ambas tecnologías merecen atención y presentan objetivos de precio similares. Los discos parabólicos son la mejor solución para plantas por debajo de un MW y en aplicaciones aisladas. Las eficiencias de los sistemas de discos pueden alcanzar el 20 por ciento, mientras que torres y CCp se sitúan en el 15 por ciento. Los costos de inversión típicos para las tres tecnologías varían en el rango de los 2 000 a 2 500 dólares por kW instalado.

Energía fotovoltaica

La fotovoltaica resulta la forma de conversión más elegante de la radiación solar en electricidad. Un sistema típico fotovoltaico consta de un generador, un acondicionador de potencia y un acumulador. Conforman el generador módulos planos de 26 a 240 W que pueden estar formados por Si (monocristalino, policristalino o amorfo), componentes ternarios (CulnSe, AsGa, CdTe) o células de concentración. Las baterías de acumulación son habitualmente de Pb-ácido o de Ni-Cd.

Uno de los grandes problemas que presentan las células fotovoltaicas es la diferencia de rendimientos entre las células de laboratorio, las obtenidas en producción industrial y el rendimiento en el módulo. Los módulos comerciales en Europa son, en su mayoría, paneles planos de 18 a 180 células de Si mono y policristalino y eficiencias en el rango de 15-16 por ciento. Los módulos comerciales con Si amorfo presentan eficiencias estabilizadas del cinco al seis por ciento.

El mercado mundial de paneles fotovoltaicos en la actualidad es de unos 90 MW/año. A pesar del elevado precio de cada watt por panel que presenta esta tecnología, son abundantes las instalaciones y aplicaciones en todo el mundo, sobre todo debido a su modularidad. No parece que a mediano plazo la energía fotovoltaica pueda ser la tecnología idónea para producción de electricidad a escala industrial. La principal aplicación en la actualidad son los sistemas aislados de la red (50 por ciento del total), como electrificación rural y granjas. Después, las telecomunicaciones con un 21 por ciento y los sistemas conectados a red con otro 21 por ciento (tejados y centrales fotovoltaicas) son las aplicaciones más extendidas. Sus usos como el bombeo agrícola son también extraordinariamente atractivas. En Europa, la aplicación más prometedora es en los tejados fotovoltaicos conectados a red, con varios miles de instalaciones conectadas en el rango de 1-5 kW, fundamentalmente en Alemania, Holanda, Suiza y Austria, estimándose en el viejo continente un total instalable de 600 GW por panel, que representaría una producción anual de 500 TWh.

Se estima que los sistemas fotovoltaicos podrían tener una penetración de hasta 20 por ciento en la red sin necesidad de usar baterías de almacenamiento, simplemente conectándolos a la red y usando ésta como sumidero.

Los costos de instalación en distintas instalaciones fotovoltaicas oscilan entre los 14 000 dólares por kWp para grandes centrales (datos tomados de la central de 1 MW en Toledo, España) y los 38 000 en grandes telecomunicaciones. Los costos actuales de la energía producida oscilan entre los 46 y 234 centavos de dólar por kWh, por lo que son valores todavía poco competitivos en un mercado industrial.

La energía fotovoltaica tiene, no obstante, un mercado en el que el costo es sólo uno de los factores por considerar; otros componentes, como el difícil acceso a red o la modularidad y el pequeño tamaño juegan un papel decisivo. En España existen, dentro del Programa de Ahorro y Eficiencia Energética del Ministerio de Industria y Energía, subvenciones de hasta 6.6 dólares por Wp para sistemas conectados a red y de 13.2 dólares por Wp en sistemas aislados. En Europa, los programas nacionales de Alemania, Austria y Holanda subvencionan de 30 a 60 por ciento de las inversiones en tejados fotovoltaicos.

Los objetivos a largo plazo en el desarrollo tecnológico buscan conseguir módulos por debajo de los 1.9 dólares por Wp y sistemas conectados a red a precios de 3.9 dólares por Wp, lo que equivaldría a costos de producción de la electricidad por debajo de 19 centavos de dólar por kWh en sistemas residenciales conectados a red.

Entre los retos tecnológicos que lleva implícitos este objetivo se encuentran la estabilización del Silicio amorfo, la posible construcción de plantas piloto para la producción de módulos de CdTe, la obtención de capas más finas con el consiguiente ahorro de material (380 u) y el uso del sub bandgap. En el caso de las células, es necesario ir a mayores tamaños, mejorar su textura y reducir el consumo energético durante la fabricación. En el ámbito industrial es necesario promover producciones en masa de módulos que supondrán una disminución significativa de los costos. Se estima que una reducción de 30 MW/año doblaría a la mitad los precios de fabricación en una planta. Es necesario buscar, además, sistemas más simples y estándares, por ejemplo, los sistemas con el inversor de corriente integrado, lo que reduciría hasta en un 20 por ciento el costo.

Conclusión

La energía eólica tiene un sitio en el mercado energético con una participación muy activa de empresas privadas y del sector eléctrico; en menos de cinco años podrá incluso competir sin tener en cuenta subvenciones ni precios premiados.

La energía solar térmica presenta tres tecnologías de concentración con un escenario de trabajo a diez años para la obtención de plantas totalmente competitivas, aunque faltan plantas comerciales en operación. La energía fotovoltaica, si bien es la que trabaja a más largo plazo, cuenta con un mercado mundial estable gracias a su modularidad y a su fácil aplicación en sistemas aislados y en ciertas conexiones a red. En cualquier caso, tanto la energía solar como la eólica tendrán un importante peso en el balance energético mundial y jugarán un papel fundamental en la evolución de los países en vías de desarrollo antes del año 2050.