Con las tecnologías actuales, las fuentes de energías renovables más viables para sustituir a las energías fósiles son la hidráulica, la eólica, la solar fotovoltaica, la solar termoeléctrica y, en menor medida, la biomasa, los biocombustibles y los residuos sólidos urbanos (RSU). La hidráulica es una tecnología implementada desde hace muchos años, y en los países desarrollados prácticamente ya están aprovechados todos los recursos, lo que significa que hay pocas posibilidades de aumentar la producción. Los recursos para la producción de biomasa y biocombustibles son limitados y entran en competencia con la producción de alimentos. Por otro lado, los recursos para generar energía eléctrica con plantas eólicas y solar fotovoltaicas son prácticamente ilimitados, pero presentan el problema de que la producción no se adapta a la demanda, es decir, se trata en gran medida de energía no gestionable.

Dado que las mayores fuentes renovables son la eólica y la solar fotovoltaica, y que la generación con dichas fuentes es muy variable en función de las horas del día y de la época del año, adaptar la generación a la demanda es el gran reto que debemos enfrentar si las queremos emplear para sustituir a las energías fósiles.

En este artículo analizaremos a grandes rasgos las principales acciones que podrían implementarse para adaptar la generación de energía eléctrica renovable a la demanda. También plantearemos algunas opciones para sustituir las energías fósiles por energías renovables en España. Para ello emplearemos como referencia los consumos de energía (fósiles y renovables) y la generación de energía eléctrica en España durante el 2018.

1. Adaptación de la generación de energía eléctrica renovable a la demanda

Cuando los sistemas de producción eólica y solar fotovoltaica cubren una parte importante de la demanda de energía eléctrica, los aspectos cruciales para adaptar la generación a la demanda son la capacidad de los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, la potencia de esos sistemas (tanto en el almacenamiento como en la descarga) y la relación con la potencia de los sistemas de energía gestionable.

Para mejorar esos aspectos y lograr un adecuado acople entre la generación y la demanda, podemos considerar que hay tres acciones posibles:

1) Adaptar, en la medida de lo posible, la demanda de energía eléctrica a la generación.

2) Determinar la relación entre la producción de energía con plantas solares fotovoltaicas y eólicas que mejor se adapte al perfil de la demanda de energía eléctrica.

3) Desarrollar sistemas eficientes y económicos de almacenamiento de energía eléctrica.

En principio la acción 1 (adaptar la demanda a la generación) parece razonable, pero en la práctica es difícil llevarla a cabo. Veamos lo que sucede en los principales sectores de consumo de energía eléctrica, de acuerdo con la clasificación expresada en la Tabla 1:

• El consumo horario en la industria (que representa el 33% del consumo global) generalmente está determinado por los horarios de las jornadas laborales. Las empresas que pueden cambiar los horarios de consumo son pocas, y en última instancia esa acción no influiría de forma significativa en la adaptación global entre generación y demanda.
• Los consumos horarios de energía eléctrica en el comercio, servicios, y administraciones públicas (que representan el 31.2% del consumo global) están determinados por el horario de atención al público, y la posibilidad de cambiar dichos consumos también son bajas.
• En el sector residencial (que representa el 31.5% del consumo global) hay un cierto margen para adaptar la demanda de energía eléctrica a la generación, pero queda limitada a una programación adecuada para acumular agua caliente sanitaria y a la puesta en servicio de algunos electrodomésticos (como lavadora y lavavajillas) en los horarios en los que la generación de energía eléctrica es superior a la demanda. Dado que el consumo de los electrodomésticos solo representa alrededor del 4% del consumo total de energía eléctrica [1], no parece justificado un esfuerzo importante en esa dirección.

Tabla 1. Fuentes de energías que cubrieron la demanda de energía final en España durante 2018, en Kilo toneladas equivalentes de petróleo (Ktep).

(*) Energías renovables no utilizadas para generar energía eléctrica.
(**) Incluye la energía eléctrica generada con energías fósiles + hidráulica + energías renovables utilizadas para generar energía eléctrica.

En lo que respecta a la acción 2 (adaptar la relación entre la producción de energía solar fotovoltaica y eólica), cabe señalar que, dependiendo del perfil horario de demanda de energía eléctrica, la relación óptima entre la generación solar fotovoltaica y eólica puede jugar un papel importante en la reducción de la capacidad y potencia de los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, así como en la potencia y aporte de energía gestionable.

Para ilustrar el punto anterior, la Figura 1 muestra el perfil de demanda de energía eléctrica en España durante el día 15 de junio de 2016, así como dos opciones para adaptar la generación de energía eléctrica con renovables a la demanda (la generación con ambas opciones es igual a la demanda: 649 GWh/día):

Opción A. Con esta opción es necesaria una capacidad de almacenamiento de 55.5 GWh, y la potencia mínima de los sistemas de almacenamiento es de 9.6 GW.

Opción B. Con esta opción la capacidad necesaria de almacenamiento aumenta a 109 GWh, mientras que la potencia mínima de los sistemas de almacenamiento es de 17GW.

Figura 1. Perfiles horarios de demanda y generación de energía eléctrica con renovables.

Como podemos ver, un adecuado ajuste entre los diferentes tipos de energía renovable permitiría reducir de manera significativa los requerimientos de almacenamiento de energía, así como la potencia mínima requerida.

Finalmente, respecto a la acción 3 (implementación de sistemas eficientes y económicos de almacenamiento de energía eléctrica), podemos señalar que los sistemas de almacenamiento de gran escala (en el orden de los GWh) que más se han desarrollado son los de energía potencial mediante centrales de bombeo mixto y bombeo puro, los que emplean sales fundidas y los que utilizan baterías.

En el caso de España, el sistema más adecuado para almacenar energía eléctrica podría ser el de energía potencial. Esto se debe a que se puede implementar con las centrales de bombeo mixto que hay instaladas actualmente, teniendo solo que aumentar la potencia de las centrales de bombeo puro y sus correspondientes depósitos de almacenamiento. Dado que este sistema tiene bajos costes de mantenimiento, y además no genera residuos, podemos considerar que sería un sistema idóneo para adaptar la generación de energía eólica y solar fotovoltaicas a la demanda.

2. Alternativas para sustituir las energías fósiles por renovables en España

A continuación analizaremos algunas alternativas para sustituir el uso de energías fósiles mediante la generación de energías renovables en España. Para trabajar con datos reales, el análisis lo realizamos para el supuesto de que en el año 2018 se hubieran sustituido las centrales termoeléctricas que consumen energías fósiles por plantas eólicas y solar fotovoltaicas. Por consiguiente, todos los valores de demanda y perfiles horarios de generación de energía con energías renovables están referidos a los del año 2018.

En el año 2018, la potencia eléctrica total instalada en España era de 98.63 GW [2]. Esta se distribuía de la siguiente manera: hidráulica convencional 14.74; bombeo mixto 2.26; bombeo puro 3.3; nuclear 7.1; carbón 9.5; ciclo combinado 24.5; eólica 23; solar fotovoltaica 4.4; solar térmica 2.3; otras renovables 0.86; térmica no renovable/cogeneración y resto 5.7; residuos no renovables 0.45; residuos renovables 0,12.

Considerando las cifras anteriores, para sustituir las energías fósiles (nuclear, carbón, gas natural y productos petrolíferos) con energías renovables, podemos plantear las siguientes alternativas:

Alternativa A. Suministrar con plantas eólicas y solar fotovoltaicas la energía eléctrica que se generó en 2018 con energías fósiles, es decir, 166,984 GWh/año (Tabla 2). De esa manera reduciríamos el consumo de energías fósiles en 50,461 Ktep/año (Tabla 3). Esta alternativa, relativamente fácil, representaría una reducción del 45.6 % en el consumo total de energías fósiles.

Tabla 2. Generación de energía eléctrica en España en 2018, en función del tipo de fuente [3].

Tabla 3. Consumo de energías fósiles y tipo de utilización en España en 2018 [3].

Alternativa  B. Suministrar con plantas eólicas y solar fotovoltaicas la energía eléctrica de la Alternativa A, más la energía eléctrica necesaria para suministrar, mediante aerotermia, el 80% del consumo de energía térmica utilizada para calefacción y ACS de los sectores de comercio, servicio, administraciones públicas y residencial.

En teoría, una vez que se han cumplido los objetivos de la Alternativa A, ampliarlos para cumplir los de la Alternativa B no sería un problema, ya que los sistemas de aerotermia están suficientemente desarrollados para cubrir la demanda de energía térmica de los sectores mencionados.

Nota: Suministrar con aerotermia la demanda de energía térmica requerida para calefacción y ACS es totalmente viable en los países que no tienen temperaturas extremadamente bajas en los meses de invierno. Los equipos de aerotermia están muy desarrollados, y tendríamos que limitarnos a desarrollar un programa y “un proyecto estandarizado” para sustituir las calderas y calentadores convencionales, por equipos de aerotermia. Esto nos permitiría sacar el gas de las ciudades, reducir la contaminación y eliminar los accidentes por explosiones, entre otras cosas.

Suministrando con aerotermia el 80% de la energía térmica que se consumió durante el año 2018 en los sectores de comercio, servicios, administraciones públicas y residencial (9,782 Ktep, Tabla 1), se reduciría el consumo de energías fósiles en 7,825.6 Ktep, que equivale al 7% del consumo total de energías fósiles. Esta alternativa representa una reducción del 52.6% en el consumo total de energías fósiles.

Alternativa C. Suministrar con energía eólica y solar fotovoltaica la energía eléctrica de la Alternativa B, más la energía eléctrica necesaria para:

1) Transportar por tren, metro, coches y autobuses eléctricos el 70% de los pasajeros que se mueven actualmente en coches convencionales.

2) Transportar por tren y furgonetas eléctricas el 40% de las mercancías que se mueven actualmente con camiones y furgonetas convencionales.

Aquí cabe señalar que, una vez que se han cumplido los objetivos de la Alternativa B, ampliarlos a la Alternativa C resulta más complicado, pues para poder sustituir el consumo de energías fósiles por energías renovables es necesario realizar una transformación profunda en los sistemas de transporte. Además convendría tener en cuenta aspectos como los siguientes:

• Dado que el consumo energético por pasajero y Km es aproximadamente 5.6 veces superior si lo realizamos con coche que si lo realizamos por tren [4], y el consumo energético por transporte de mercancías es alrededor de 4 veces superior si lo realizamos por carretera que si los realizamos por tren, sería recomendable reducir el transporte de personas y mercancías por carretera, todo lo que sea razonablemente posible.
• La implantación del coche eléctrico es una opción para reducir los ruidos y la contaminación en las ciudades, pero si las baterías hay que cargarlas con energía eléctrica producida con energías fósiles, el consumo de energías fósiles y las emisiones de CO₂ acabarán siendo más elevadas que si utilizamos los coches de gasolina y diésel más avanzados. Además, la utilización masiva de coches eléctricos generaría un problema de residuos por las baterías.
• Por ejemplo, el coche eléctrico EQC-400 4MATIC (Mercedes), consume alrededor de 24 KWh de energía eléctrica para recorrer 100 km, de acuerdo con el catálogo del fabricante. Producir esta energía eléctrica con centrales térmicas de carbón requiere un consumo del orden de 5 KWh de carbón, y emiten cerca de 68 Kg de CO₂. A estas emisiones de CO2, hay que sumar las emisiones generadas en la fabricación de baterías, que equivale a unos 8.6 Kg de CO2 por 100 Km recorridos [5]. En contraste, el coche diésel C- 220 Blue Tec -7 G Tronic (Mercedes) consume del orden de 4.3 litros por 100 km recorridos, que equivale a 43 KWh, y emite del orden de 10.9 Kg de CO₂. Por consiguiente, desde el punto de vista energético y de emisiones de CO₂, la implantación masiva del coche eléctrico no se debería realizar hasta que las baterías de dichos coches puedan ser recargadas con energías renovables.

Nota: Asumimos que las centrales eléctricas de carbón tienen un rendimiento eléctrico del 34% (referido al punto de consumo), las de ciclo combinado del 48% y el cargado de baterías del coche eléctrico del 95%. También, que las emisiones de CO₂ de las centrales de ciclo combinado y las de carbón equivalen a 0.53 y 1.23 Kg-CO₂/KWh, respectivamente.

• La mejor opción para reducir la contaminación y los ruidos en las ciudades podría consistir en: a) mejorar el sistema de transporte por metro; b) desarrollar el transporte por tranvías eléctricos; c)sustituir los coches y autobuses que consumen energías fósiles, por coches y autobuses eléctricos, cuando las baterías de dichos vehículos puedan ser recargadas con energía renovables; c) reducir en un 70-80 % el número de coches circulando por las ciudades. Esta opción, aunque compleja, podría ser viable a medio/largo plazo, y al no haber coches aparcados ni circulando por las calles, los ciudadanos dispondríamos de mucho más espacio público.

Dado que el consumo de energías fósiles en el trasporte es de 35,274 Ktep (Tabla 1), y que el consumo de los automóviles tipo turismo representa el 42.5% del consumo total del trasporte, mientras que el de camiones y VL representa el 32.3% [4], aplicando la Alternativa C el consumo de energías fósiles dedicadas al transporte se reduciría en 15,050 Ktep, que equivale al 13.6% del consumo total de dichas energías. Esta alternativa representa una reducción del 66.2% en el consumo total de energías fósiles.

3. Conclusiones

Con las tecnologías actuales, la energía eólica y la solar fotovoltaica son una alternativa real para sustituir las energías fósiles en la generación de energía eléctrica. Sin embargo, es necesario desarrollar un sistema eficiente de almacenamiento de energía eléctrica, así como dimensionar de forma adecuada la relación entre la potencia de las plantas eólicas y las de solar fotovoltaica. Así mismo, se prevé necesario desarrollar sistemas de apoyo con energía gestionable (renovable) y, en casos puntuales, sistemas de apoyo con centrales de ciclo combinado de gas natural.

En el caso concreto de España, aplicando las tres opciones propuestas conseguiríamos reducir en un 66.2% el consumo de energías fósiles. Sin embargo, con las tecnologías actuales reducir el 33.8% restante es más complicado. La viabilidad de esto último dependerá del precio de las baterías, del desarrollo de los biocombustibles, el biogás, y otras tecnologías. Especial atención merece el hidrógeno: si se logran tecnologías de generación de H₂ con energías renovables a precios competitivos, este podría jugar un papel importante en el transporte por carretera y en la reducción del consumo de energías fósiles en la industria. De hecho, la previsión actual [6] es que para el 2030 el coste de producción de H₂ con renovables sea inferior a 2 € /Kg de H₂, aunque para ello es necesario desarrollar tecnologías de almacenamiento de H₂ en forma masiva.

El tiempo para llevar a cabo la transición de energías fósiles a energía renovables dependerá de la voluntad de los gobiernos en turno, y habrá una gran diferencia entre los países desarrollados y los que están en vías de desarrollo. En el caso concreto de España, para cumplir los objetivos propuestos en la Opción C es necesario aumentar la potencia eólica hasta llegar a unos 93 GW, y la solar fotovoltaica hasta llegar a unos 46.5 GW. Instalando a un ritmo de 6.7 GW/año de energía eólica, y de 3.8 GW/año de solar fotovoltaica, en 7.5 años llegaríamos a la potencia requerida para cubrir la demanda de la opción A, en 8.7 años cubriríamos la demanda de la opción B, y en 10 años la de la opción C.

Nota: Asumimos que se puede aprovechar toda la energía generada con las plantas eólicas y solar fotovoltaicas; un SCOP de los nuevos equipos de aerotermia de 4; un consumo de transporte de viajeros por ferrocarril 5.6 veces inferior que si se realiza con turismos; un transporte de mercancías por ferrocarril 4 veces inferior que si se realiza por carretera.

En un próximo articulo desarrollaremos el análisis de un sistema de almacenamiento de energía eléctrica basado en una combinación de centrales hidráulicas de Bombeo Mixto y de Bombeo Puro, con apoyo de un sistema de aporte de energía gestionable.

Referencias

[1] “Consumos del Sector Residencial en España, Resumen de Información Básica.” Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE), 2011.

[2] “Red Eléctrica de España | Series estadísticas nacionales.” https://www.ree.es/es/datos/publicaciones/series-estadisticas-nacionales (accessed Dec. 23, 2020).

[3] “Informe Estadístico EE.RR.” http://informeestadistico.idae.es/t3.htm (accessed Dec. 23, 2020).

[4] “GUIA IDAE 019: PTT: Planes de transporte al trabajo.” Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE), Apr. 2019.

[5] “Kohlemotoren, Windmotoren und Dieselmotoren: Was zeigt die CO2-Bilanz? | Hans-Werner Sinn.” https://www.hanswernersinn.de/en/node/1313 (accessed Dec. 24, 2020).

[6] A. Dorr and T. Seba, “Rethinking Energy 2020-2030 100% Solar, Wind, and Batteries is Just the Beginning,” p. 62.

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