Casi la mitad de las publicaciones en nuestro blog están, en un grado u otro, dedicadas a la energía de diversos grados de alternativas y no alternativas. Pero para construir pronósticos realistas sobre la energía "verde" del futuro, necesita conocer las respuestas a preguntas desagradables. En esta publicación, compararemos los hechos actuales del campo de la producción y el almacenamiento de energía para comprender por qué el mundo no tiene prisa por cambiar a fuentes de energía renovables respetuosas con el medio ambiente y qué problemas aún no se han resuelto en el camino hacia la ecologización.
Sin excepción, todos han notado un aumento en la proporción de energía verde en el mundo. No hay discusión con este hecho: el desarrollo de la energía solar y eólica está realmente
creciendo de año en año a un ritmo impresionante. ¿Significa esto que la energía renovable está desplazando constantemente a los combustibles fósiles? No
No olvide que año tras año no solo crece la energía verde, sino también el consumo mundial de electricidad. Para satisfacer la demanda, las fuentes de energía renovables por sí solas no son suficientes, por lo tanto, los sectores del carbón, el gas e incluso el petróleo están aumentando los volúmenes de producción. Es decir, es posible hablar sobre el desarrollo de la energía verde, pero no hay forma de reemplazarla en base a los combustibles fósiles fuera de los países europeos más progresistas.
Si observa la producción de energía de todos los combustibles relevantes,
Resulta que no solo la energía "verde" está creciendo. El cálculo se realiza en "toneladas de petróleo equivalente", el equivalente de la energía obtenida de toneladas de petróleo. Fuente: Revisión estadística de BP de World Energy 2019EROI: el verdadero valor de la energía
Cuando discuten proyectos de energía verde, los desarrolladores señalan como argumento el bajo costo de 1 kWh, que en algunos casos es incluso menor que el precio de un kilovatio hora generado por una central eléctrica a carbón. Si esto es así, ¿por qué la proporción de carbón en la generación mundial de electricidad sigue siendo del
40% , y no obtiene menos gas fósil sobre sus talones?
Es más correcto evaluar y comparar el costo de la electricidad recibida de varias maneras utilizando el indicador EROI (energía devuelta por la energía invertida): la relación entre la energía recibida de la fuente y la cantidad de energía gastada en su generación. Con EROI, puede evaluar con mayor precisión las perspectivas de una fuente de energía, en contraste con una eficiencia puramente teórica o un salto de precios de un país a otro 1 kWh. Por ejemplo, EROI 20: 1 para cierto tipo de combustible significa que por cada kWh gastado, se pueden generar 20 kWh.
Gráfico EROI para varios tipos de energía en los Estados Unidos. Fuente: Mrfebruar / Wikipedia
EROI para cada tipo de salida puede variar mucho con el tiempo. Depende de las tecnologías de producción y procesamiento, las reservas comprobadas y la complejidad de la producción de combustible, los precios de los equipos y la fuente de energía en sí. A principios del siglo XX, mientras que el petróleo era fácilmente accesible, el EROI de su producción fue fantástico 1200: 1, y ahora se equilibra al nivel de 5: 1 y continúa cayendo lentamente. La proporción para el carbón aumentó a 75: 1 y se redujo a 30: 1, pero, sorprendentemente, los
científicos predicen el pico de EROI de carbón a mediados del siglo XXI, cuando la proporción puede superar los 100: 1.
Teóricamente, el EROI del combustible debe estar por encima de 1, para que su uso sea apropiado. De hecho, con una relación inferior a 4: 1, la fuente de energía debe ser subsidiada, de lo contrario su uso será poco rentable y muy costoso. EROI, justo por encima de la unidad, está permitido solo para las compañías mineras, cuya esencia es solo extraer el recurso y venderlo más tarde; las compañías petroleras incluso se sienten cómodas con una relación de 1.1: 1.
EROI energía tradicional
El gráfico EROI anterior para la industria energética de EE. UU. Para 2010 es muy elocuente y generalmente cierto para otros países. Las centrales hidroeléctricas cuyo EROI está cerca de 100: 1 se encuentran en un Olympus de eficiencia inalcanzable. La construcción de una gran estación hidroeléctrica es una tarea muy costosa. El complejo chino de las Tres Gargantas le costó al presupuesto de China $ 25.5 mil millones, de los cuales la estación misma costó solo $ 9 mil millones. Pero gracias a la EROI más alta y la capacidad instalada de 22.5 GW, Three Gorges se amortizó un año después de la puesta en servicio oficial o cuatro después del lanzamiento de la primera turbina.
Conozca la central eléctrica más poderosa del mundo: la central hidroeléctrica de las Tres Gargantas en el río Yangtze. ¡Capacidad instalada de 22,5 GW! Fuente: Le Grand Portage / Wikipedia
El carbón, que ahora parece un tipo de combustible terriblemente arcaico e increíblemente sucio, incluso en Europa no va a renunciar solo por el alto EROI de aproximadamente 30: 1 (en los EE. UU. Es mucho más alto). Sorprendentemente, el poseedor del récord europeo para el consumo de carbón es ... Alemania. El 61% de la antracita comprada y el 93% del lignito en Europa se destinan específicamente a generar electricidad. Además, fue en Alemania el año pasado que el volumen de producción "verde" superó la producción de fuentes fósiles. A finales de 2019, la Comisión sobre el abandono de la generación de carbón completó su trabajo en Alemania, presentando al gobierno planes y recomendaciones para la finalización de la operación de centrales eléctricas de carbón para 2038. Ahora hay 84 estaciones de carbón en el país que se ven obligadas a suavizar el abandono de la generación atómica: para 2022 Alemania cerrará todas sus centrales nucleares, aunque en la década de 2000 la energía nuclear representaba una cuarta parte de la generación del país.
Mapa de las centrales eléctricas de carbón en funcionamiento en Alemania (marcado en negro sobre antracita, marrón - sobre carbón marrón): representan una cuarta parte de la producción total en el país. Por lo tanto, las autoridades deberán tratar de compensar la desaparición de 48.8 GW de generación. Fuente: CarbonBrief.org
Si el carbón es un combustible muy sucio, entonces el gas natural es mucho más respetuoso con el medio ambiente, y se considera el combustible fósil más prometedor para las centrales eléctricas del futuro, y su EROI en los países importadores es de 20-30: 1, y en la producción de gas en Rusia, no inferior a 75: 1, lo que hace que el gas sea atractivo y demandado. En mayor medida que en cualquier otro lugar, en Alemania, donde el rechazo del carbón y las centrales nucleares necesita urgentemente ser compensado por algo y donde la energía renovable por sí sola no es la forma de hacerlo.
EROI verde
Ahora pasemos a la energía "verde" de EROI, que es donde por ahora todo no es muy divertido. El problema de las energías renovables es su apego rígido al área. Las estaciones solares funcionan mejor cerca del ecuador, viento - en la costa, geotérmica - en áreas de actividad volcánica. Al mismo tiempo, la producción de paneles solares cesa en la noche y se reduce considerablemente en invierno, los molinos de viento están apagados durante el período de migración de aves, y aunque las estaciones geotérmicas son efectivas, su potencia es extremadamente pequeña (docenas, en el mejor de los cientos de MW).
En teoría, la energía eólica puede ser muy barata y baja en términos de desarrollo, pero hasta ahora uno de los mejores complejos marinos alemanes (en alta mar) con una capacidad instalada de 200 MW da un EROI de 16: 1. Y aunque el viento representa más del 21% de la producción alemana, la industria se está estancando: el ritmo de construcción de nuevos molinos de viento para el año ha disminuido en un 80%, y la capacidad de las estaciones en construcción es 26 veces menor que el crecimiento anual teórico, que se considera necesario para el reemplazo estable de combustibles fósiles con energía eólica. La rigurosidad de las leyes y la falta de voluntad de los ciudadanos de tener molinos de viento cerca de sus hogares han llevado al mercado alemán de energía eólica a un cierto límite, que será muy difícil de cruzar: toda esperanza de modernización de generadores para aumentar su eficiencia. Esto, por cierto, puede reducir la EROI aún más.
Las inversiones mundiales en energía solar y eólica se han mantenido prácticamente sin cambios durante la última década. Fuente: Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA), Escuela de Frankfurt-Centro PNUMA / BNEF
Si la energía eólica en su conjunto no es mala, aunque tiene sus propios matices y límites, entonces con la energía solar todo es completamente triste. Ya hemos escrito sobre las razones por las cuales el Sol no se ha convertido en una fuente universal de electricidad infinita, aunque los paneles solares eficientes han existido durante más de medio siglo. Debido a la baja eficiencia de los paneles de película delgada baratos (6-8%) y la necesidad de construir estaciones de un área muy grande, así como debido a la hora del día y la temporada, la energía solar EROI en Europa se encuentra en un nivel absolutamente desalentador: 1.6: 1. El lector de Habr hizo cálculos muy interesantes para una estación teórica en la soleada Arizona estadounidense, uno de los mejores lugares para la energía solar, de acuerdo con los resultados de los cuales obtuvo un EROI "esférico en vacío" 3.8: 1.
Las plantas de energía de pilas de combustible de hidrógeno totalmente autónomas de Toshiba H2One ya están en funcionamiento. Reciben energía para la electrólisis del sol o del viento.
Desafortunadamente, el hidrógeno tampoco funciona bien. Como un portador de energía portátil absolutamente respetuoso con el medio ambiente, el hidrógeno es indispensable, pero se debe gastar mucha energía para su producción, debido a que el EROI de las celdas de combustible es inferior a 2: 1. Hasta ahora, la única forma rentable de producir hidrógeno para las celdas de combustible es utilizar la energía del sol o del viento. Ya dijimos cómo Toshiba resolvió con gracia este problema con su planta de energía de celda de combustible móvil
Toshiba H2One , que a su vez genera hidrógeno por electrólisis, recibiendo energía de paneles solares y baterías.
La necesidad de almacenamiento de energía.
Difícilmente se puede encontrar una fuente igualmente inestable de generación de energía, como el viento y la luz solar. Al mismo tiempo, su generación no depende del volumen de consumo en la red: por la noche, mientras la ciudad está durmiendo, el generador de viento puede girar desesperadamente, generando la máxima potencia posible simplemente porque sopló el viento, y durante el día, en el pico de consumo, habrá calma. Para no perder el exceso de producción y compensar su detención por razones naturales, se debe almacenar energía. Para las plantas de energía de combustibles fósiles, esto no era un problema antes. La única forma adecuada y ampliamente disponible de almacenar electricidad es con baterías.
No tomamos en cuenta las estaciones de almacenamiento hidráulico debido a su alto precio y exigencia con el terreno. Este es un diagrama de una pequeña central hidroeléctrica que bombea agua en una piscina acumulada por la noche y la pasa a través de generadores durante el día. Para decirlo suavemente, no es la solución más fácil y conveniente. Fuente: Donante / Wikipedia
Si bien no existe una solución universal para la acumulación de grandes cantidades de electricidad en las baterías. En estaciones pequeñas, como los molinos de viento, puede sobrevivir con una serie de baterías de iones de litio (fosfato de hierro y litio). Su intensidad energética es dos veces menor que la de las baterías de litio-cobalto en masa (120 W · h / kg), pero la vida útil es de 2000 ciclos de carga y descarga.
Otra opción razonable es usar baterías usadas de vehículos eléctricos. Por lo general, una batería que ha perdido el 20% de su capacidad debe ser reemplazada, de lo contrario, el kilometraje del vehículo con una sola carga se reduce notablemente. Para no lidiar con la costosa eliminación de una batería que aún funciona, se puede adaptar para almacenar energía de fuentes ecológicas. Esto es lo que sucedió en el estadio Johan Cruyff Arena (54,990-68,000 espectadores) en los Países Bajos, Amsterdam, que, después de la perestroika en 2016-2018, se volvió completamente autónomo en términos de energía. Hay 4.200 paneles solares instalados en el techo, que almacenan energía en 280 baterías Nissan Leaf usadas. Sin embargo, el estadio no rechazó completamente la energía de la red de la ciudad: las baterías ayudan a suavizar la carga durante los eventos nocturnos, cuando se requiere una iluminación intensa. Solo con las baterías, el estadio no podría funcionar todas las noches.
En el techo del Johan Cruyff ArenA (anteriormente Amsterdam ArenA), los paneles solares son claramente visibles: el estadio se abastece de electricidad (si tiene suerte con el clima) tanto como puede. Fuente: Cornwall NISSAN / YouTube
La acumulación de electricidad de fuentes de energía renovables en baterías para suavizar los picos de consumo y compensar la falta de generación, parece muy razonable. Pero el problema de reducir el costo del almacenamiento de energía aún no se ha resuelto. Debido al costo de las baterías, el precio de kWh de fuentes "verdes" crece 3-4 veces, llegando a $ 0,45 (informe Lazard, p. 12). Esto solo puede solucionarse creando nuevos tipos de baterías: espaciosas, duraderas y económicas.
Escribimos sobre desarrollos prometedores en esta área
anteriormente .
El prosumerismo como forma de ahorrar
¿Cómo resolver el problema del alto costo de kWh de la energía renovable acumulada en las baterías? Puede vender el excedente no reclamado resultante. Gracias a la acumulación de energía, ha aparecido un nuevo fenómeno: el prosumerismo. Antonymy for consumerism (consumo), que significa la venta de un servicio a su proveedor. Si es más simple, estamos hablando de la venta por parte del consumidor de la energía acumulada en las baterías de regreso a la red a quienes la necesitan. Suponga que es un hogar privado o una pequeña empresa con sus propias fuentes de generación de electricidad. Parte de ella se consume, parte se almacena en módulos de batería. Si hay un exceso de producción y no hay ningún lugar para poner el exceso de energía en el sentido literal, puede venderlo a la red, como si fuera una pequeña planta de energía. Más bien, no pequeño, sino virtual: escribimos sobre
plantas de energía virtuales y la participación de Toshiba en la formación de este fenómeno positivo.
Toshiba ya ofrece una solución para administrar la batería de almacenamiento: el sistema analiza constantemente el nivel de consumo o de salida, equilibra la carga de la batería y la conecta al consumo máximo mucho más rápido de lo que se puede hacer manualmente. Y en el futuro, el sistema Toshiba recibirá la función de prosumerismo: la venta automática de energía a la red. Fuente: Toshiba
La implementación más notable del proyecto de planta de energía virtual es Tesla Powerwall, una batería doméstica alimentada por un panel solar con una capacidad de 6.4-13.5 kWh. Los consumidores no solo pueden abastecerse de electricidad barata de la red o "gratis" del Sol, sino también venderla a la red mediante intercambios en línea. Powerwall se vendió en todo el mundo con una capacidad total de 300 MWh.
En Rusia, el "Plan de medidas para estimular el desarrollo de instalaciones generadoras basadas en fuentes de energía renovables con una capacidad instalada de hasta 15 kW" fue aprobado con el mismo significado que Tesla Powerwall, pero el proceso de prosumismo aún no ha sido prescrito por ley. Vender el excedente de electricidad ayudará a reducir ligeramente el costo del consumo de energía verde. Pero, una vez más, todo depende del costo de las baterías: en la etapa actual del desarrollo de la tecnología, el período de recuperación se acerca a los 10 años.
El futuro es hermoso, pero muy lejos.
En realidad, no queremos sembrar escepticismo con respecto a las fuentes de energía renovables y la transición al sector de energía "verde" en su conjunto. El petróleo es finito, el costo de su producción crece constantemente, pero con un gas y carbón, la situación ecológica no puede corregirse. Hasta que la humanidad haya subyugado la fusión termonuclear controlada, será necesario llevar a cabo los desarrollos más activos en el campo de la energía verde. Este es un camino muy espinoso, que consiste en resolver problemas complejos: económicos, tecnológicos e incluso sociales.
Lo mejor que se puede hacer en tal situación es continuar la investigación a toda costa, tratando de hacer que la energía solar, eólica y geotérmica sea más eficiente y aún más asequible. El proceso está en curso, el progreso no se encuentra en un punto muerto y el mundo está abandonando lenta pero seguramente los combustibles fósiles hasta que su uso sea demasiado costoso y peligroso. Y estamos muy orgullosos de que Toshiba participe activamente en estos asuntos, desarrollando de manera efectiva todos los tipos de energía alternativa.