Michael Düren, PhD (1)
El concepto DESERTEC es más que una idea de capturar energía solar in los desiertos del mundo. DESERTEC es una aproximación holística para el problema energético mundial, con el objetivo de proporcionar energía renovable para un mundo de 10 mil millones de personas, de la forma más económica y sustentable posible. Cuatro pasos son los necesarios para realizar el concepto DESERTEC.
PASO 1: LA SUPER RED INTERCONTINENTAL INTELIGENTE
En el pasado nuestras telecomunicaciones estaban basadas en un sistema de conductores de cobre que conectaban teléfonos y maquinas de fax. La transición hacia la World Wide Web exigió grandes inversiones en cableados de fibra óptica necesarias para grandes velocidades de transmisión y los grandes volúmenes de intercambio de datos. Comparativamente nuestra red eléctrica es todavía anticuada. Como ejemplo, incluso en Europa las redes interconectadas que permitan la transferencia de energía de un país a otro están limitadas a unos pocos cientos de kilómetros, dado que las pérdidas producidas por la transmisión de corriente alterna (AC) son significativas.
Un red energética moderna requiere, además de una infraestructura (grid) de distribución AC regional, de un sistema de corriente directa de alto voltaje (HVDC), sobrepuesto a la red AC. Dado que las pérdidas de energía en sistemas HVDC son de apenas 10% para cada 3.000 km., esta nueva tecnología permite transmisiones eficientes a largas distancias, en el rango los miles de kilómetros.
Es así que DESERTEC propone la construcción de redes HVDC transcontinentales, que conecten regiones con abundantes recursos solares y eólicos con los centros de consumo energético. Para la región EUMENA (Europa, Oriente Cercano, y África del Norte) este concepto significa por ejemplo, la interconexión con regiones de excelentes niveles de radiación solar en África del Norte con centros de consumo en Europa. Además, regiones de alta producción eólica en Marruecos se podrían conectar con sectores eólicos del Mar del Norte, el Mar Báltico y posiblemente con regiones del Ártico Ruso.
Una red transcontinental tiene dos consecuencias importantes. Primero, permitiría la separación entre las regiones de producción y consumo de energías renovables, de modo que las plantas eólicas y solares pudiesen ser instaladas en regiones apartadas de las localidades de consumo, pero preferentemente en regiones con potenciales más elevados y costos mas bajos. El beneficio económico seria grande, dado que la red transnacional incrementaría la competencia comercial entre empresas generadoras, tanto en los sectores de generación tradicional como en los renovables.
En segundo lugar, y quizás mas importante para la adopción de energías renovables a gran escala es la reducción de las fluctuaciones. Tanto la energía eólica como la fotovoltaica son volátiles (intermitentes), en el sentido que dependen de las condiciones climáticas. Nubosidad, neblina, ausencia de vientos y tormentas se correlacionan geográficamente dentro de la escala de centenares de kilómetros.
Una red energética que cubra una escala de los miles de kilómetros es capaz de compensar en gran medida fluctuaciones derivadas de fenómenos climáticos: Por ejemplo, es poco probable que ocurran calmarias en los parques eólicos de las regiones árticas de Rusia al mismo tiempo que la región de vientos alisios de Marruecos. Asimismo, es poco probable que la nubosidad pudiera cubrir las plantas solares del sur de España al mismo tiempo que las plantas solares del sur de Alemania.
Actualmente, una red de alto voltaje (380kV y 220kV) en Alemania tiene una longitud de 39.000 kilómetros, correspondiendo a un largo de 50 centímetros per capita. Esta relación es sorprendentemente baja y tendrá que ser incrementada significativamente para satisfacer las tendencias actuales de la demanda energética. Alrededor del mundo, las inversiones en redes inteligentes HVDC serán rentables por tres razones: (1) La volatilidad de las fuentes de energía renovable requieren sistemas de respaldo y de almacenamiento de energía. La habilidad de las superredes para compensar las fluctuaciones en la generación contribuirán a la reducción de los costos en sistemas de respaldo y almacenamiento. (2) Se espera que en el futuro la demanda por energía eléctrica vaya en rápido aumento, dada la obsolescencia de los combustibles fósiles, por ejemplo, en transporte y calefacción (autos eléctricos y calefactores eléctricos).
Este hecho es con frecuencia subestimado en predicciones que auguran la disminución del consumo eléctrico en función del aumento de la eficiencia y el ahorro en el consumo de energía. La instalación temprana de una poderosa red prevendría futuras congestiones de transmisión y apagones. (3) Administración de la sobrecarga, es decir, una red inteligente tendría la capacidad de administrar los picos tanto en oferta como en demanda de energía eléctrica. Actualmente, las capacidades de administración de sobrecarga son muy limitadas, pero se espera que eso cambie en el futuro, cuando los mercados del transporte, la calefacción, la climatización (aire acondicionado), y la desalinización del agua de mar (en regiones desérticas) tengan una participación más significativa en el consumo total de electricidad. En este escenario, las capacidades de manejar las sobrecargas serán cada vez mas eficientes e importantes.
PASO 2: INSTALACION DE PLANTAS EOLICAS Y SOLARES
La fuente de energía renovable a gran escala mas barata en la actualidad – además de la energía hidroeléctrica – son las plantas eólicas, tanto continentales como marítimas, ubicadas en regiones de vientos alisios y del oeste, así como también las plantas solares ubicadas en el cinturón solar de la Tierra. Sin embargo, los costos de estas energías no son todavía competitivos con los costos de la energía fósil y nuclear, debido a tres razones principales: (1) Todavía existe una curva de aprendizaje relativa a la adopción de nuevas tecnologías, pero se espera que la transición hacia economías de mayor escala contribuya a la reducción de costos. (2) Fuentes fósiles y nucleares tienes enormes externalidades (contaminación, accidentes radioactivos, calentamiento global) que no se ven reflejados en su estructura de costos. (3) En muchos países todavía existen grandes subsidios gubernamentales que favorecen a los intereses de fuentes fósiles y nuclear.
Por lo tanto, una transición rápida y oportuna hacia sistemas de energía renovable requiere de políticas claras y confiables de tarifas, regulaciones de cuota, o subsidios para la instalación de plantas eólicas y solares fotovoltaicas a gran escala. Además, se deben detener los subsidios para la generación de energía nuclear y fósil, y las empresas que vendan estos recursos deberían ser obligadas a pagar por los costos externos, así como asumir con los riesgos asociados. El interés publico y la aceptación de estos requerimientos existe, y por lo tanto es deber de los gobiernos dejar de lado la presión de los lobbies y de intereses corporativos. Una vez que los costos externos sean tomados en cuenta, las energías renovables serán inmediatamente competitivas en los mercados globales.
PASO 3: PLANTAS DE CONCENTRACION SOLAR PARA ENERGIA Y DESALINIZACION
Plantas de concentración solar (PCS) (*) ya se encuentran disponible hoy en día, tal como los sistemas Fresnel y las torres solares. Sin embargo, debido a la reducción de los costos en la instalación de sistemas fotovoltaicos, las PCS han enfrentado una competencia muy dura, y muchos de estos proyectos han sido cancelados. Adicionalmente, los sistemas PCS tienen cuatro desventajas importantes, cuando comparados con los sistemas fotovoltaicos: (1) Los sistemas PCS convencionales requieren agua para el limpiado de los espejos, así como para la generación de vapor de las turbinas y el enfriado. Por lo tanto, las plantas PCS destinadas a regiones desérticas deben disminuir el uso de agua. Esto se puede lograr a través de un ciclo cerrado de vapor, enfriado por aire y la limpieza de espejos con aire presurizado. Sin embargo, todavía se requiere agua, dado que el ciclo de vapor puede presentar fugas. (2) Las plantas PCS son eficientes solo cuando funcionan en un ambiente limpio de polvo y sin neblina, lo que normalmente excluye regiones cercanas al mar. (3) Para que la relación costo beneficio sea favorable, las plantas PCS tienen que tener un tamaño mínimo entre 50 y 200 MW, mientras que las plantas fotovoltaicas pueden ser de cualquier tamaño, desde el rango de algunos KW hasta el rango de GW.
A pesar de estas desventajas, todavía hay buenos argumentos para vislumbrar la un futuro promisorio para las plantas PCS: esta es la única tecnología solar que puede producir de acuerdo a la demanda, 24 horas por día, al utilizar dispositivos de almacenamiento de valor económicos y de gran tamaño.
Aunque en la actualidad esta ventaja no es significativa, dado la reducida participación de las energías renovables en las matrices energéticas, es posible imaginar que esta situación cambie en el futuro. En particular, cuando queramos que un 50% o incluso un 80% de la energía disponible en las redes de distribución provenga de fuentes renovables, entonces las fuentes eólicas y fotovoltaicas por si mismas no serán suficientes. Grandes centros intermediarios de almacenamiento serán necesarios para regular las fluctuaciones diarias en la generación. Asimismo, podemos asumir que el almacenamiento de electricidad por medio de baterías y estaciones de bombeado de agua no serán suficientes, tomando en cuenta el pronostico de consumo será la única fuente confiable y efectiva en términos de costo y no contaminante. Se puede asumir que las economías de escala contribuirán a la reducción de los costos asociados a las plantas PCS de forma significativa, debido a las siguientes razones: La tecnología es sencilla; grandes campos de heliostatos pueden ser construidos de forma local en países en vías de desarrollo. Los heliostatos requieren materiales que están ampliamente disponibles alrededor del mundo, tales como el vidrio, el concreto y el acero. En contraste, las plantas fotovoltaicas requieren de la instalación de sistemas de alta tecnología que son caras, y dependientes de cantidades considerables de materias primas raras, que serán cada vez mas escasas.
En países desérticos la disponibilidad de agua dulce es un factor aun mas importante que la disponibilidad de energía. Los problemas de escasez de agua – especialmente en África del Norte (**) – seguirán en aumento de manera drástica en el futuro, debido entre otros factores, al agotamiento de las acuíferos y al cambio climático. La desventaja mencionada anteriormente, en relación al uso de agua por los sistemas PCS se puede convertir en una ventaja: las plantas PCS pueden ser transformadas en productores de agua, en vez de consumidores de agua. Esto es posible debido a que el calor que se libera de las turbinas PCS puede ser utilizado de forma eficiente para la desalinización del agua marina. Dado que los sectores cercanos al litoral no son ideales para la instalación de plantas PCS, tendrán que construirse ductos para transportar el agua salada desde las costas hasta regiones interiores. Dicha producción de agua dulce en áreas interiores – particularmente valles- podría permitir cierto nivel de producción agrícola, y puede jugar un papel importante para mejorar las condiciones de vida en regiones desérticas remotas.
Para resumir: la tecnología PCS combinada con almacenamiento térmico y desalinización es una solución ideal para países desérticos, y serán sin duda un recurso irremplazable a medida que las energías renovables se impongan en la producción energética mundial. Para ello, se hace necesario de forma urgente iniciativas gubernamentales de investigación y desarrollo a gran escala, así como también programas piloto de demostración a gran escala, para lograr el mejoramiento de las tecnologías PCS, una mayor confiabilidad así como la reducción de costos.
(*) PCS: Equivalente a la sigla en ingles CSP Concentrated Solar Power.
(**) Así como en el norte de Chile
PASO 4: COMBUSTIBLES SINTETICOS Y ALMACENAMIENTO DE GAS RENOVABLE
Mientras que el almacenamiento de calor producido por plantas PCS será utilizado principalmente como respaldo para las fluctuaciones diarias en la generación, todavía existe la necesidad de almacenamiento de energía a gran escala y a largo plazo, por ejemplo, para administrar fluctuaciones estacionales, y para almacenamiento local en caso de fallas en la red de suministro transnacional.
Los sistemas existentes de almacenamiento y distribución de gas natural parecen ser soluciones ideales para este propósito, asumiendo que en el futuro el gas renovable remplace el gas natural. Resulta que el almacenamiento de metano es mas eficiente que el almacenamiento de hidrogeno, y por lo tanto, la respuesta podrá ser la producción de metano renovable, cuya parte importante de su contenido energético provenga de la biomasa (*), y otra parte de los excedentes de la producción estacional de energía.
Hoy en día, el nivel de eficiencia en la producción de gas renovable (por ejemplo, hidrogeno por electrolisis del agua) es todavía muy bajo, y cerca de la mitad de la energía se pierde en el proceso de producción. Por lo tanto, la producción de gas renovable como el “windgas” (**) a gran escala funcionara solamente en el libre mercado, una vez que la explotación del gas natural se reduzca de manera significativa. No obstante, la perspectiva futura en el uso de hidrogeno renovable o del metano para transporte, o para la producción de energía, tiene importantes consecuencias para las inversiones que se hagan en plantas de gas y en el desarrollo de automóviles con celdas de combustibles.
En el futuro, las tecnologías PCS podrán jugar un rol importante no solo para la producción de energía eléctrica en la demanda, sino también para la producción de combustibles sintéticos. Ha sido demostrado que las altas temperaturas que se obtienen en las torres solares pueden ser utilizadas para sintetizar combustibles líquidos (por ejemplo alcoholes) a partir de agua y CO2 utilizando reacciones catalíticas. Grandes programas de investigación y desarrollo se hacen necesarios para convertir la promesa de estas tecnologías en fuentes renovables disponibles a escalas industriales.
(*) Bío-metano, bío-hidrogeno
(**) Windgas, es el metano que se obtiene con los excedentes de la energía solar y eólica, los cuales se pueden utilizar en la electrolisis del agua para separar el oxigeno e hidrogeno . Luego el hidrogeno reacciona con el CO2 para producir metano y agua. El CH4 es el principal componente del gas natural. Este proceso es conocido como Power To Gas (PTG)
1-2-3-4… LO LAMENTO, PERO UD. HA LLEGADO DEMASIADO TARDE.
Los cuatro pasos mencionados describen como la transición hacia un sistema de energía renovable pudiese ocurrir. Desafortunadamente, los científicos nos dicen que estamos atrasados. Un reemplazo de más del 50% de la matriz de combustibles fósiles se hace necesario antes del 2050. Esto significa que tendremos que asumir la instalación de nuevas plantas de energía con la velocidad de 1GWp por día durante los próximos 40 años. A pesar de que el concepto DESERTEC utiliza tecnología que es simple, segura, basada en fuentes de energía renovables, aceptada y apoyada por la población, la instalación de 1GWp por día es una meta que esta prácticamente mas allá de las capacidades humanas.
El desafío real de DESERTEC no es su realización futura. El concepto es tan convincente que se ira materializando de forma natural en su debido tiempo. El desafío real es acelerar su materialización dentro de los próximos 40 años de manera que podamos evitar el cambio climático. Así como las consecuencias del cambio climático son irreversibles en escalas humanas de tiempo, medidas para evitar el cambio climático requieren mas que una evolución basada en prueba y error. Una evolución orgánica de DESERTEC basada en el libre mercado no funcionara en el periodo de tiempo necesario, sobretodo con los bajos costos de los combustibles fósiles todavía disponibles en grandes cantidades. Por el contrario, necesitamos de decisiones gubernamentales con fundamento científico, coordinación internacional y fuertes medidas para hacer avanzar las tecnologías correctas.
Agradecimientos: El autor desea agradecer a todos sus colegas que están trabajando en el desarrollo de DESERTEC, por todas las valiosas discusiones y por las contribuciones a este articulo, especialmente a Sabine Jungebluth, Thiemo Gropp, Paul van Son and Florian Zickfield.
Sobre el autor
(1) Michael Düren estudio Física en el RWTH de Aachen (Aquisgrán), Alemania, donde obtuvo su PhD en 1987 en el campo de física de partículas. Posteriormente hizo su post-doctorado en Física Nuclear en el Instituto Max-Planck en Heidelberg. Luego se estableció en la Universidad Erlangen-Nürnberg, y fue profesor interino de la Universidad Bayreuth, y desde 2001 es profesor titular en Física Experimental de la JLU Glessen. Desde 1988 se desempeña como miembro del Grupo de Trabajo sobre Energía de la Sociedad Alemana de Física. En 2006 fue co-fundador del grupo de trabajo interdisciplinario SEPA (Solar Energy Partnership Africa-Europe), en la Universidad de Glessen, y en 2008 fue co-fundador de la fundación DESERTEC. Desde 2011 es el coordinador de la red académica de DESERTEC.
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Articulo publicado por Capital Finance International (CFI), Invierno 2012-2013
Traducción: Andres Cavieres Pinilla, Georgia Tech, Atlanta, EEUU.