La energía solar y la del viento solas no pueden hacerlo

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(Por qué el Green New Deal necesita la fusión para FUNCIONAR)

Resumen

La energía solar y eólica, cuando se utilizan como fuente primaria de energía, son MUCHO más caras y dañinas para el medio ambiente que cuando se utilizan como fuentes auxiliares (como lo son ahora). No pueden ser la única fuente de energía limpia, barata, segura e ilimitada.

La energía solar y eólica como fuentes de energía primaria:

  • Cuestan más que los combustibles fósiles
  • Ocupa una quinta parte de la superficie terrestre total de Estados Unidos y el mundo, destruyendo grandes ecosistemas.
  • Consume grandes cantidades de materiales, algunos de ellos tóxicos y raros.
  • Estar altamente centralizado y depender en una red de larga distancia vulnerable y extremadamente cara.

Según los titulares y las declaraciones de muchos partidarios de las energías verdes, usted pensaría que ya tenemos las soluciones que pueden reemplazar completamente a los combustibles fósiles, y que la energía eólica y solar pueden proporcionar energía barata, confiable y totalmente limpia. El problema es que esto simplemente no es cierto. La energía solar y la eólica por sí solas no pueden reemplazar a los combustibles fósiles. Por lo tanto, necesitamos un programa intensivo para investigar y desarrollar la única alternativa real a los combustibles fósiles: la energía de fusión.

El papel de la energía solar y eólica, sus gastos e impacto ambiental, es muy diferente si se consideran posibles reemplazos completos de los combustibles fósiles. En este momento, la energía solar y eólica se utilizan para complementar las fuentes de electricidad de «carga básica»: de los generadores de combustibles fósiles, plantas de fisión nuclear y energía hidroeléctrica. En ese papel, la variabilidad de la energía solar y eólica es una molestia, pero no un gran problema. En su mayor parte, la red eléctrica, alimentada principalmente por fuentes que pueden encenderse y apagarse de manera confiable, puede absorber eficientemente la energía extra de la energía solar y eólica siempre que esté disponible. Entonces, en este papel suplementario, la energía solar y eólica es útil para reducir la contaminación por combustibles fósiles. Pero la situación cambia por completo si consideramos eliminar la producción de energía de fisión, la de los combustibles fósiles y nucleares y reemplazarlos completamente con energía solar y eólica. Entonces, la variabilidad de las fuentes de energía renovables es un gran problema y aumenta enormemente su costo e impacto en el medio haciendo su reemplazo total impractico. Veamos por qué.

1. La energía solar y eólica serán más caras que los combustibles fósiles

La energía solar y eólica solo están disponibles una parte del tiempo. Una planta de energía solar con una capacidad máxima de 1 MW (puede producir un máximo de 1 MW de energía eléctrica) produce aproximadamente un promedio de 200 kW o 20% del máximo. La mitad del tiempo el sol no está en el cielo y la mayoría del tiempo está bajo en el cielo o detrás de las nubes, lo que reduce la potencia que puede producir una planta solar. Del mismo modo, un parque eólico con una capacidad máxima de 1 MW produce en promedio 300 kW. (fuente: IRENA (2018), Renewable Power Generation Costs in 2017, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi).

En este momento, la energía solar cuesta alrededor de un millón de dólares por MW de capacidad máxima y la eólica cuesta un millón y medio de dólares, comparable a los costos de capacidad máxima de las plantas de combustibles fósiles. (mismo informe IRENA) Pero las plantas de combustibles fósiles, así como las instalaciones de fisión nuclear e hidroeléctrica, pueden operar a su máxima capacidad casi todo el tiempo. Si, en cambio, expresamos el precio de 1 MW de producción de energía PROMEDIO para energía solar o eólica, es de cinco millones de dólares por 1 MW de energía, mucho más que el de los fósiles.

Además de eso, si la energía solar y la del viento son la principal fuente de energía, baterías enormes tendrían que almacenar energía durante los períodos en que el sol no brilla y el viento no sopla, y las noches tranquilas ocurren con bastante frecuencia. Es difícil predecir exactamente cuántas horas o días de energía almacenada sería necesaria para asegurar un suministro continuo de energía. Sin embargo, un estudio del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (disponible en https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72401.pdf) muestra que un requisito mínimo de almacenamiento de 4 horas duplica el costo de la energía solar.

Además, puede que no sea posible, incluso en una red de tamaño continental, equilibrar la alta demanda de energía para calefacción (sería totalmente eléctrica en un sistema sin combustibles fósiles) con poca luz solar durante el invierno. Esto podría significar que los sistemas solares y eólicos tendrían que tener una capacidad máxima aún mayor para que su producción en invierno no cayera demasiado.

Incluso ignorando de manera optimista este último punto, el costo de inversión para sistemas totalmente solares y eólicos será de alrededor de $10 por watt de consumo promedio. ¿Qué significa eso para todo los Estados Unidos?

En este momento, el consumo promedio de energía (toda la energía, no solo la electricidad) en los Estados Unidos es de alrededor de 3,3 TW (billones de vatios). Con un modesto crecimiento anual del 1% en los próximos 30 años, el consumo de energía alcanzará 4,4 TW para 2050, el año objetivo para eliminar los combustibles fósiles. Esto significa que el costo de simplemente construir este sistema en los próximos 30 años será de alrededor de 44 billones de dólares, o un gasto promedio de alrededor de un billón y medio de dólares por año.

Ni los paneles solares ni las turbinas eólicas duran para siempre. Tienen, en el mejor de los casos, 20 años de vida. Incluso ignorando los costos de mantenimiento continuos, la necesidad de reemplazar los paneles solares y las turbinas eólicas a medida que se desgastan agregará al menos medio billón de dólares por año a los costos generales, lo que elevará el total a dos billones de dólares por año.

En comparación, en la actualidad, los Estados Unidos gasta alrededor de $1.400.000.000.000 por año para todas las fuentes de energía, principalmente a base de combustibles fósiles. Entonces, con supuestos optimistas y precios actuales para el almacenamiento solar, eólico y energético, un sistema totalmente solar y eólico aumentaría los costos de energía en aproximadamente un 50%.

¿Pero, no seguirán bajando los costos de energía solar y eólica? Hablaremos de eso en la sección 3.

2. La energía solar y eólica ocuparán casi un quinto de la superficie terrestre total de los EE. UU. y del mundo

Tanto la energía solar como la energía eólica (impulsada por la energía del sol) son recursos energéticos diluidos: necesitan mucha tierra para una determinada cantidad de energía. Una encuesta de NREL https://www.nrel.gov/news/press/2013/2269.html muestra que las plantas de energía solar producen 7 MW de potencia promedio por km cuadrado de uso total de la tierra y parques eólicos de solo 1,5 MW por km2. Para lograr una producción de energía equilibrada, se requerirá tanta energía eólica como solar. La producción de los 4,4 TW que necesitará EE. UU. para 2050, significará cubrir 300.000 km2 con paneles solares y 1,5 millones de km2 con parques eólicos. El área total de tierra de los EE. UU. es de 10 millones de km2, por lo que casi una quinta parte del área total necesita tener paneles solares o parques eólicos.

Para hacer una comparación, el área total de todas las ciudades de EE. UU. combinadas es de 100.000 km2, por lo que solo los paneles solares cubrirán tres veces el área urbana de EE. UU. Dicho de otra manera, los paneles cubrirían un área ¾ del tamaño de todo el estado de California con paneles solares. Si todos estuvieran ubicados en el desierto, un tercio de los desiertos de los EE. UU. estarían cubiertos.

Los parques eólicos, por supuesto, permiten el uso de tierras agrícolas dentro de ellos. Pero tienen un gran efecto en la vida silvestre, especialmente las aves. El área cubierta por parques eólicos sería un 50% más grande que el área ahora cubierta por tierras de cultivo.

Pero la energía es un problema global. Proporcionar a la población mundial de 2050, estimada en unos 10 mil millones de personas, con el suministro actual de energía per cápita de Europa (la mitad de la de los Estados Unidos) tomarán 60 TW de potencia promedio. Por lo tanto, aproximadamente una quinta parte de la superficie terrestre mundial también estará cubierta por paneles solares o parques eólicos.

3. La energía solar y eólica consumen grandes cantidades de materiales, algunos de ellos tóxicos y raros

Los generadores solares y eólicos, que son grandes equipos, consumen grandes cantidades de materiales, en ambos casos alrededor de 1.000 toneladas por cada MW de energía promedio producida. La construcción de una red totalmente renovable para 2050 requerirá una producción adicional de aproximadamente 200 millones de toneladas al año de vidrio, acero, hormigón y aluminio. Esta es una gran cantidad, aunque no imposible, en general. Implicaría una ampliación sustancial de algunas industrias energía intensivas estadounidenses, como el aluminio, que tendría que triplicarse en tamaño.

Con la tecnología actual, los materiales clave en los paneles solares son tóxicos y raros. Para satisfacer las necesidades de un programa estadounidense, la producción mundial de cadmio, un metal tóxico, tendría que triplicarse a 70.000 toneladas por año. Pero reemplazar los combustibles fósiles es un esfuerzo global y un programa similar para el mundo requeriría un millón de toneladas por año de producción, un aumento de 40 veces. (Esto supone llevar a la población mundial a los estándares europeos de consumo de energía para 2050, solo la mitad de lo que usa los Estados Unidos per cápita). El cadmio se encuentra solo junto con el zinc, por lo que la producción mundial de zinc tendría que triplicarse. El telurio se necesita en cantidades casi iguales, y este elemento es raro, casi tan raro como el platino en la corteza terrestre. Las reservas actuales conocidas son de solo alrededor de 20.000 toneladas, por lo que las reservas tendrían que aumentar más de 1.500 veces para suministrar las 30 millones de toneladas de teluro necesarias para una transición global a solamente energía solar y eólica. Eso será casi imposible sin explotar las grandes cantidades de telurio en los nódulos de aguas profundas cerca de los respiraderos hidrotermales. Pero la minería en aguas profundas destruirá vastas franjas de ecosistemas únicos del fondo marino. (Fuente: https://www.bbc.com/news/science-environment-39347620).

Las grandes cantidades de materiales necesarios para la energía solar y eólica también limitan la disminución de los costos que se pueden esperar de manera realista en el futuro. Ya, los generadores solares y eólicos (excluyendo los costos de almacenamiento) cuestan alrededor de $10 por kg de peso de los materiales. Muy pocos tipos de maquinaria cuestan mucho menos para fabricar. Un automóvil cuesta alrededor de $20 por kg para producir, mientras que un refrigerador cuesta alrededor de $3 por kg. A diferencia de los refrigeradores, las instalaciones solares y eólicas también requieren una mano de obra considerable para instalar, mano de obra que es improbable que la investigación futura reduzca dada la escala de las instalaciones. Entonces, si bien es cierto que la investigación futura podría continuar reduciendo el costo de la energía solar y la eólica, es poco probable que las futuras reducciones de costos excedan un factor de dos. Dada la escala física de estas tecnologías, nunca serán significativamente más baratas que las fuentes actuales de energía de combustibles fósiles.

Pero, ¿no pueden la energía solar y eólica concentrarse mucho más a medida que mejora la tecnología? El problema es que existen límites físicos básicos que ya están cerca de alcanzarse. La eficiencia de la energía solar es de alrededor del 18% en la actualidad y el límite físico es de alrededor del 30%. Así que aquí nuevamente, un factor de dos en mejoras no es posible. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8674820

4. La energía solar y eólica como fuentes primarias de energía estarían altamente centralizadas y dependerían de una red de larga distancia vulnerable y extremadamente costosa

En la actualidad, cuando se utilizan como fuentes de energía suplementarias, la energía solar y eólica parecen ser fuentes de energía bastante descentralizadas. Después de todo, todas las regiones reciben luz solar y viento. Pero eso cambiaría radicalmente si fueran las fuentes primarias. En los Estados Unidos y en todo el mundo, las poblaciones que consumen energía están altamente concentradas. Se necesitarán regiones extremadamente grandes y poco pobladas con la mayor cantidad de sol y viento para suministrar energía a estas poblaciones. Como resultado, la energía eléctrica deberá enviarse a través de miles de millas desde las fuentes a las regiones consumidoras, creando una red costosa que es vulnerable a fallas.

En los Estados Unidos, la energía tendría que transmitirse desde los desiertos y llanuras occidentales a los centros de población en el este y en la costa oeste. Durante el invierno, se tendrían que transmitir grandes cantidades de energía desde las zonas más soleadas del sur a las más frías del norte.

En Eurasia, las grandes concentraciones de población en el norte de la India y el este de China tendrían que suministrarse desde plantas eólicas y solares que cubran grandes áreas del oeste de China, Mongolia, Kazajstán y Rusia. India en particular dependería en gran medida de los vecinos del norte para obtener energía. Estaría por verse si los acuerdos internacionales realmente podrían establecer sistemas tan vastos.

La transmisión de energía a través de miles de millas de línea de alto voltaje implica pérdidas significativas. Pero, lo que es más significativo, tales redes eléctricas muy centralizadas, pero vastas, serían altamente vulnerables a la interrupción por desastres naturales como terremotos, tormentas de arena, tornados y especialmente tormentas geomagnéticas causadas por erupciones solares. Las redes de hoy, que ya son demasiado vulnerables a los apagones, producen la mayor parte de la electricidad localmente y dependen de conexiones a larga distancia principalmente para el equilibrio de carga. Pero una futura red de energía solar y eólica no solo dependería principalmente de fuentes de energía distantes, la interrupción de la electricidad significaría eliminar toda la energía.

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