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Energía neta fotovoltaica: mitos y realidades del caso español
Pedro A. Prieto Colegio de Ingenieros de Sevilla 16 de noviembre de 2012
¿Quienes somos?
We are addicted to Oil (Somos adictos al petróleo) George W. Bush (2006)
¿De dónde venimos?
5.000
EN MILONES DE AÑOS 4.000 3.000 2.000 1.000 500
Formación de la Tierra Primeros signos de vida (Bacterias, algas)
Formación de rocas Dinosaurios
1. EL REGISTRO GEOLÓGICO
Formación de combustibles fósiles
Explosión de la vida Cámbrico
Ampliado en 2
20 15 10 7 5
0
0
2. LOS PRIMATES Y EL HOMBRE Últimos ancestros comunes entre el hombre y los chimpancés Evolución de antiguos primates
Homínidos HOMO SAPIENS
Ampliado en 3 EN MILONES DE AÑOS
3. EL DISPARO DE LA POBLACIÓN HUMANA causado por la explotación de combustibles fósiles
EN MILES DE AÑOS
0 1 2 1 3 2 4 6 5 8 7 9
Arranque de la agricultura
E D A D D E P I E D R A E D A D D E B R O N C E
a. C. d. C.
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Fuente: William Stanton citado por Nate Hagens y elaboración propia
Edad moderna
Revolución industrial
¿De dónde venimos?
LA POBLACIÓN HUMANA
EN MILES DE AÑOS
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Arranque de la agricultura
E D A D D E P I E D R A E D A D D E B R O N C E
a. C. d. C.
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Fuente: William Stanton citado por Nate Hagens. World Economic and Social Survey. United Nations. Overview. 2011. Página VII y elaboración propia
Motor de vapor
Motor eléctrico
Motor de gasolina
Válvula de vacío
Aviación comercial
Energía nuclear
Renovable
Petróleo
Carbón
Co
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¿Adónde (dicen) que vamos?
Referencia: World Energy Outlook 2011. Agencia Internacional de la Energía. Páginas 70 (Figura 2.1.) y página 76 (Figura 2.6.)
Escenario con la política actual
Escenario con nuevas políticas
Escenario para las 450 ppm
Demanda de energía primaria mundial
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Demanda de energía primaria mundial En escenario con nuevas políticas
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Otras renovables
Biomasa y residuos
Hidroeléctrica
Nuclear
Gas
Carbón
Petróleo
Previsión de aumentos del consumo total de energía de entre el 23% y el 50% en los próximos 25 años
Previsión de aumentos del consumo total de energía fósil de un 50% en los próximos 25 años en el escenario de nuevas políticas
La AIE estima que en 2035 todavía el 71% de toda la energía será de origen fósil
¿Adónde (algunos creemos que) vamos?
Fuentes: ASPO 2008 Case Base para petróleo y gas. Energy Watch Group. 2007 Report y Energy Wathc Group. Uranium Resources and Nuclear Energy. December 2006 .
Producción mundial histórica y prevista de carbón
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Producción mundial histórica y prevista de petróleo y gas. Caso base 2008
Regular Convencional
Pesado y Ultrapesado
Aguas profundas y ultraprofundas
Petróleo polar Líquidos del
Gas natural
Gas convencional
Gas no Convencional
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La ocurrencia del petróleo
De más porosidad a………………………………………….menos porosidad
Fuente: Mariano Marzo. Hubbert’s Peak: The Impending World Oil Shortage, Kenneth S. Deffeyes (Princeton University Press, 2001)
Y la tasa de extracción de petróleo de cualquier roca madre NO es lineal….
120 Km/h 8 litros/100 Km
0 Km/h 0 litros/100 Km
Poco agua Mucha agua (cenit) poco agua Poco esfuerzo Esfuerzo medio gran esfuerzo
como la de un depósito de gasolina de coche……. sino más bien como una esponja
¿Qué pasa (últimamente) con el petróleo?
Fuente C. J. Cooper. Septiembre de 2010 tomado de la AIE y de la EIA
Extracción de petróleo en relación con los precios en el periodo 1997-2011
Fuente: Tom Murphy. Do the Math. Peak Oil Perspective. De un debate con Gail Tverberg y datos del EIA
¿Qué pasa (últimamente) con el petróleo?
Producción mundial de petróleo según varias fuentes y conceptos
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1930
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1942
1946
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1994
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2006
2010
En m
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Regular-convencional ASPO
Todos ASPO
EIA
BP
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Pues que desde 1950 y hasta 1973 estábamos acostumbrados a crecer en disponibilidad de combustibles líquidos de calidad y de bajo coste energético de extracción a un 6,4% anual y desde hace un siglo a un 4% anual TODO IBA BIEN: TODO ERA CRECIMIENTO
4%
6%
La velocidad de extracción y consumo de energía fósil es hoy un millón de veces más rápida que la velocidad de formación de los yacimientos
0,5%
DESDE 2006, LA
PRODUCCIÓN MUNDIAL
DE PETRÓLEO APENAS
CRECIÓ UN 0,5% ANUAL,
INCLUYENDO TODOS LOS
TIPOS DE COMBUSTIBLES
LÍQUIDOS
La producción mundial de petróleo frena… y comienza a declinar
Desde 2004-2005, el petróleo convencional entra en una Meseta Ondulante (Bumpy Plateau) Y la producción mundial de todos los líquidos combustibles apenas crece a un 0,5% anual BRUTO y seguramente decrece en energía NETA
0,5%
0% --
Los flujos determinan el modelo del agotamiento y del declive
30.000 Mb/año
Hace 50 años, se descubrían 30.000
millones de barriles al año y se
consumían 4.000 millones. En la
actualidad, se consumen 30.000 millones
y se descubren 4.000 millones.
Alfonso Guerra, Presidente de la Comisión
Constitucional del Congreso de los Diputados,
citando a Kjell Aleklett, presidente de ASPO Int’l.
25 de junio de 2005.
IV Encuentro de Políticas de la Tierra.
Salamanca
+ +
30.000 Mb/año
4.000 Mb/año
4.000 Mb/año
1955 2005
Energía, trabajo, economía
ENERGÍA: Se define en física, como la capacidad de realizar un trabajo. Física clásica
Mecánica: Energía cinética: E = ½*m*v2
Energía potencial gravitatoria: E = m*g*h Electromagnética Radiante Calórica Eléctrica Termodinámica Interna Térmica Energía potencia electrostática: E = -grad V Física cuántica o relativista: E = m*c2
Energía química
Equivalencias usadas1 kilocaloría (kcal) = 4,187 kJ = 3,968 Btu1 kilojulio (kJ) = 0,239 kcal = 0,948 Btu1 British thermal unit (Btu) = 0,252 kcal = 1,055 kJ1 kilovatio-hora (kWh) = 860 kcal = 3.600 kJ = 3.412 Btu1 Caballo de vapor (CV) = 735,498 WEquivalentes caloríficosUna tonelada de petróleo equivalente representa aproximadamenteUnidades caloríficas 10 millones de kilocalorias
42 gigajulios40 millones de Btu
Combustibles sólidos 1.5 toneladas de carbón duroal3 toneladas de lignito
Combustibles gaseosos 151,51 m3 de gas natural5.348,3 pies cúbicos de gas natural
Electricidad 12 megavatios-hora
Un millón de Toneladas de petróleo producen unos 4.400 GWh (= 4,4 TWh) de electricidad en una planta moderna de generación
Fuente: British Petroleum. Table of equivalences. Statistical Review of World Energy. Full Report. 2012
POTENCIA: Es el trabajo realizado en la unidad de tiempo
TRABAJO: (Fis.) Es el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo. Es una actividad humana y social Es uno de los factores de producción (Junto con la Tierra y el capital)
Economía y energía: Una cuasi identidad
Demanda de energía primaria y PIB de 1971 a 2007
OCDE
No-OCDE
Mundo
Dem
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PIB en miles de millones de dólares de 2008
Fuente: World Energy Outlook (WEO) 2009 de la Agencia Internacional de la Energía (AIE). Página 59
La gran pregunta:
TRE. Concepto básico
TRE = _________________________________________ = _____________
Energía entregada a la sociedad ER ó Eout
Energía gastada en poner energía EI ó Ein a disposición de la sociedad
La definición en inglés es la de Enery Return On Energy Invested (ERoEI o bien EROI)
Generalmente considerada como la energía invertida desde la sociedad
La TRE. Concepto básico
• La TRE y su análisis será, probablemente, uno de los
asuntos a definir más importantes en el futuro
• Su importancia ha estado oculta por el creciente dominio
(inoportuno, en opinión de Charles A. S. Hall) de las visiones
economicistas del mundo, de sus análisis de costes y beneficios.
• Va a ser una herramienta clave en el estudio de la viabilidad FÍSICA
de las energías fósiles, según se agotan y también en el estudio de la
viabilidad de las modernas energías renovables, según para qué usos
La TRE. Sus orígenes científicos
La primera vez que se trató este asunto de forma científica fue en el doctorado de Charles A. S. Hall… sobre la migración de los peces (rendimiento en relación con el esfuerzo para las pesquerías) Aunque el concepto ya estaba implícito en trabajos de Kenneth Boulding, Howard T. Odum Jay Forrester y otros
La Tasa de Retorno Energético (TRE): Un concepto tan importante como evasivo
La (TRE): Una realidad cambiante, siempre a peor
Fuente: Hall and Cleveland, 1985, Hall 2005
La TRE. Introducción
Un predador, como un guepardo, no puede consumir más energía en la captura de la presa, que la que obtiene de ella. Esto es un principio básico de sostenibilidad y de supervivencia en el tiempo del individuo y de la especie.
La energía excedentaria del individuo tiene que servir para la propia reproducción y mantenimiento de la prole, la cobertura de los periodos de escasez, etc. Por ello, la TRE mínima de una especie animal viable y sostenible tiene que ser >2 TRE >2
La pirámide social de las necesidades energéticas
Extraer energía
Refinar energía
Transporte
Cultivar alimentos
Sanidad
Educación
Cuidado familiar
Artes
La jerarquía social de las “necesidades energéticas”
TRE mínima para el petróleo crudo ligero convencional
Actividad Mínima TRE necesaria
Artes y otros 14:1
Sanidad y salud 12:1
Educación 9 ó10:1
Cuidado familiar 7 u 8:1
Cultivar alimentos 5:1
Transporte 3:1
Refinado de petróleo 1,2:1
Extracción de petróleo 1,1:1
Fuente: Charles A. S. Hall.
Franja de TRE mínima requerida para la civilización
La pirámide social de las necesidades energéticas
Cazadores recolectores Nivel metabólico TRE 2-3
Agricultura-ganadería primitiva TRE 4-5
Sociedad agropecuaria avanzada TRE 5-6
Sociedad industrial incipiente TRE 6-13
Sociedad industrial desarrollada TRE 8-15
Sociedad industrial y tecnológica TRE 12-25
El acto reflejo en torno a las subvenciones
Esta pequeña prueba de sus
reflejos nos dirá si es usted pro-
renovables
Fuente: Agencia Internacional de la Energía. WEO 2012. Página 508
Subsidio: Prestación pública asistencial de carácter económico y de duración determinada
¿Quién puede asistir a otro si no ha acumulado previamente un excedente que ofrecer?
¿Con qué recursos (energéticos) ha creado esta sociedad los excedentes de que dispone?
Subvenciones a las fósiles
TRE. Principios biofísicos, no economicistas
1. Cambio de concepto sobre la economía
neoclásica:
• Del capital como creador de riqueza
(Solow y otros)
• A la economía como la disciplina que
estudia cómo las personas
transforman la Naturaleza para
satisfacer sus necesidades (Karl
Polanyi y otros)
2. Desechar todo modelo que viole las leyes
de la termodinámica o que se base en
artículos de fe (del tipo ¡ya inventarán algo!)
en vez de en evidencias científicas
3. Ser muy escrupuloso en el análisis de las
fronteras o límites de los sistemas
energéticos a estudiar
4. No dar por bueno sistemáticamente que la
tecnología puede compensar la disminución
de la TRE con el tiempo
La Tasa de Retorno Energético (TRE): La intuición olvidada
Matar moscas a cañonazos
Hacer un pan como una hostia
El cultivador de maíz…La gran esperanza
Norteamericana para eliminar nuestra
dependencia del petróleo
Entonces…¿de qué se ríe este hombre?
Pues de que cuesta 1,29 litros de combustible fósil producir 1 litro de etanol
La Tasa de Retorno Energético (TRE): La intuición olvidada
Matar moscas a cañonazos
Hacer un pan como una oblea
El cultivador de maíz…La gran esperanza
Norteamericana para eliminar nuestra
Dependencia del petróleo
Entonces…¿de qué se ríe este hombre?
Pues de que cuesta 1,29 litros de combustible fósil producir 1 litro de etanol
La Tasa de Retorno Energético (TRE): La intuición olvidada
Autonomía de la moto: 100 Km
Distancia de casa a gasolinera: 50 Km
¿Qué trabajo útil puede desempeñar este vehículo?
El precipicio de la energía
El precipicio de la energía neta
Petróleo y gas de EE. UU. TRE promedio exigido
para mover la sociedad industrial (Hall y colaboradores)
Tasa de Retorno Energético (TRE o ERoEI en inglés) Energía para la sociedad
Energía utilizada para obtener energía
Petróleo de pizarras?
Pizarras con kerógeno
Arenas asfálticas
Un estudio global sobre la TRE de la
energía solar fotovoltaica en España
¿Por qué España?
• El país con más irradiación en Europa
• Fue segundo en Europa tras Alemania. Ahora tercero, sobrepasado por Italia
• Buena contabilidad oficial de la energía generada (CNE+ REE+Ministerio de Industria, Turismo y Comercio)
• ciclo de tres años completos, produciendo en el mundo real (2009-2011) de un abanico masivo de instalaciones fotovoltaicas con todas las tecnologías que un mercado abierto ofrece. • Muchas plantas multimegavatio sobre suelo, muy eficientes y optimizadas y bien orientadas. • Todas las instalaciones estudiadas son con conexión a red, bien contabilizadas por disponer de tarifas en régimen especial
Evolución de la demanda: energía primaria en España
Fuente: Ministerio de Industria, turismo y Comercio para energía primaria. La ener´gia en España 2010. Excluye la energía renovable
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Carbón Petróleo Gas Hidroeléctrica Nuclear
Evolución de la demanda: electricidad en España
Fuente: Red Electrica Española Informe de 2011
Evolución de la electricidad en España por tipo de fuente C
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Total
Gas de ciclo combinado
Nuclear
Carbón
Resto Régimen Especial
Eólica
Hidroeléctrica
Fuel/Gas
Solar FV
Termosolar
Cobertura de la demanda eléctrica y evolución de las renovables en España
Producción eléctrica en España 2011
287.755 GWh
10%
19%
16%3%18%
2%
15%
3%
1%
2%
11%
Hidráulica
Nuclear
Carbón
Fuel / gas
Ciclo combinado
Mini Hidráulica
Eólica
Solar fotovoltaica
Solar termoeléctrica
Térmica renovable
Térmica no renovable
Fuentes: Red Eléctrica Española Informe de 2011 para producción eléctrica y CNE informe de mayo de 2012 para evolución
Evolución de la producción eléctrica renovable
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2006 2007 2008 2009 2010 2011
en
GW
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Solar FV
Termosolar
Eólica
Minihidráulica
Biomasa
Excluida la gran hidroeléctrica
Excluidos autoconsumos, bombeos y exportaciones
Desarrollo de la energía solar FV en España Y en el mundo
• El crecimiento de la potencia instalada en España en 2009 el periodo 2009-2011 ha permanecido en una meseta alta con una elevado número de instalaciones que permiten una medida bastante exacta de la producción respecto de la potencia instalada a lo largo de tres ciclos anuales.
Fuentes: Comisión Nacional de Energía (CNE) Informe de mayo de 2012. BP Statistical Review 2012 para la potencia solar mundial instalada hasta 2011
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2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
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EE. UU.
Alemania
Italia
España
Japón
Total mundo
Tecnologías desplegadas
Plantas Fijas 63%
Plantas a un eje 13%
Plantas a dos ejes 24%
HCPV 0,6%
Película delgada 2,1%
Silicio cristalino 97,3%
< 2MW 36%
2-5 MW 20%
>5 MW 44%
Sobre cubierta 2,2%
Sobre el suelo 97,8%
fuente: Informe de ASIF de Julio de 2010 sobre instalaciones hasta 2009
Despliegues solares fotovoltaicos en el mundo real
58
122
1000
654 903
333
10
381 181 147
254
33
138 79
18 2 1
Fuentes: Mapa de Censolar Figuras superiores: kWh/m2/año figuras inferiores: no. de horas de sol/año CNE para los MWn isntalados hasta diciembre de 2010
MW Instalados
En la práctica, las áreas con mayor irradiación no necesariamente reciben todas las instalaciones solares fotovoltaicas Hay razones políticas, sociales, empresariales y de muchas otras índoles que terminan situándolas en áreas con peor irradiancia
Niveles de precios de módulos FV e instalaciones
Fuentes: CNE instalaciones FV acumuladas mensual y anualmente Informe de ASIF de julio de 2010 para precios de mercado.
Los precios han caído de manera muy importante en los últimos años debido a mejoras tecnológicas, pero también y principalmente a razones de oferta y demanda y a nuevos aspectos regulatorios
MW conectados
MW conectados acumulados
Precios de módulos FV en Euros/Wp
Metodología seguida Bases de datos utilizadas
Para la energía generada (ER o Eout) • Pedro’s field experience 30 MW • Informes de la Comisión Nacional de Energía (CNE) . Años 2009 a 2011 • Red Eléctrica Española (REE) • Ministerio de Industria, Comercio y Turismo
Para la energía invertida en generar energía (EI ó Ein) • European Photovoltaic Industry Association (EPIA) • Asociación de la Industria Fotovoltaica (ASIF, hoy UNEF) • Asociación Empresarial fotovoltaica (AEF) • Datos de varios productores con diferentes tecnologías • Datos de los fabricantes de módulos FV y EPC’s • Precios de mercado, cuando se han hecho necesarios los equivalentes Energía/Economía • Estudios de EPBT y LCA de varias fuentes (Alsema, Knapp, Fthenakis, Kim, Raugei, etc.) de células, módulos y Resto de sistema (Balance of System ó BoS)
Cómo obtener la Tasa de Retorno Energético (TRE, EROEI ó EROI)
La energia obtenida (ER) de los sistemas
solares fotovoltaicos conectados a red se
mide en España de forma precisa
Como es habitual la mayor dificultad estriba
en valorar y medir la energía invertida en
obtener energía (EI)
Energía Obtenida (ER) TRE = ------------------------------
Energía Invertida (EI)
Veamos cómo se ha obtenido la ER y la EI
Equivalencias económico/energéticas y de trabajo/energía utilizadas
Fuente: (Energía Primaria/PIB en 2008. Ministerio de Industria, Comercio y Turismo
Muchos de los costes energéticos vienen dados en unidades monetarias ¿Cómo correlacionar adecuadamente esos datos en Euros con energía? Hemos utilizado 171,61 Tpes/MEuros como la relación Energía Primaria/PIB para toda España dada por el Ministerio de industria para 2008
A 1 Tpe = 42 GJ, esto supone 7,16 MJ/Euro (año 2008) (los EE. UU. tuvieron 9,68 MJ/$ en 2002)
O en equivalencias energéticas, a 1 Tpe = 12 MWh 1,98 kWh/Euro En cuanto a la energía en relación con el trabajo, hemos tomado los 142.07 MTpes/año de 2008 en energía primaria (Ministerio de Industria) frente a los 19,9 milones de Trabajadores ocupados (Instituto Nacional de Estadística- INE) para 2008. El resultado es un promedio conservador de
7,15 Tpes/trabajador ocupado en 2008 O en equivalencias eléctricas
86 MWh por trabajador empleado y año
Equivalencias económico/energéticas y de trabajo/energía utilizadas
Intensidad
energéticaNº Materias primas (MJ/$)
331411 Fundido y refinado del cobre 21,4212100 Minería del carbón 15,4213111 Perforación de pozos de petróleo y gas 11,4
Fabricación331200 Tubos de acero y fabricación de tubos 25,233131B Fabricación de productos de aluminio 24,3331420 Trefilado, enrollado, preformado de cobre 1533299C Fabricación de otras manufacturas metálicas 12,533999A Fabricación miscelánea 9,51322500 Fabricación de Hardware 9,2433329A Fabricación de maquinaria industrial 9230301 Mant. y rep. De edificios no residenciales 8,69334413 Dispositivos semiconductores y similares 7,56333295 Maquinaria de semiconductores 7,17335313 Aparatos conmutadores 6,44334111 Fabricación de ordenadores electrónicos 4,28
Serviciosfinancieros541800 Publicidad y servicios asociaddos 4,12561400 Servicios de apoyo a los negocios 2,9541300 servicios de arquitectura e ingeniería 2,7523000 Inversiones en activos y bienes de consumo 1,53541100 Servicios legales 1,52
Para la equivalencia económico/energética,
dada la falta de tablas I/O recientes en España, se han utilizado tablas de Carnegie Mellon para EE. UU. en 2002
y se han tomado valores conservadores reducidos a
tres actividades principales:
• Trabajos de coste promedio nacional 7,16 MJ/euro
•Trabajos de ingeniería y similares 14,3 MJ/euro
• Trabajos de servicios financieros y similares
2,39 MJ/euro
Notas sobre equivalencias energéticas y transformidad de las diversas fuentes
Fuente: 2011 World Economic and Social survey UN. Página 30. Tomado de Cullen and Alwood 2009
12.000 MTpe 15 TW
35%
20%
25%
5,8% Nuclear
No energéticos 6%
Movimiento 6%
Calor 4%
Energía útil 17,6%
Frío/luz/sonido 0,4% Motores de gasolina 7,5%
Motores diesel 10,6%
Exergía final 67%
Uso de combustible
56%
Exergía Primaria
100 % 509 EJ
Exergía Primaria
93 %
Generación Eléctrica
37%
30%
9,4%
Petróleo
Biomasa 10,6%
Gas natural
Carbón
Renovables
Emisiones directas de carbón en miles de MT de Co2
Pérdidas de generación y distrib. 22,3%
Electricidad 10,6%
Calor 0,5%
Pérdidas de combustible 7,2%
Aviación 2%
Otros motores 1,4%
Motores eléctricos 3,1%
Quemadores de biomasa 9,2%
Quemadores de gas 8,5%
Quemadores de carbón 5,5%
Calentadores eléctricos 3,3% Intercamb. de calor 0,4% Refrigeración 2,0% Iluminación 1,5% Electrónica 1,4%
Quemadores de petróleo 5,1%
No energéticos 6%
Intercambio de calor 34%
Otros 24,1%
15% Intercambio interno de calor
Oxidación 8,6%
25%
Mezclas 1,5%
Intercambio de calor 14,3%
Escapes 10,6%
Pérdidas de calor 8,8%
Resistencia Eléctrica 9,6%
Fricción 4,3% Fisión 3%
Pérdidas de combustible 7,2%
Pérdidas Totales 83,3%
3%
10,6%
5%
17%
5,8%
3%
7,8%
0,8%
2,6%
2,3%
Flujo anual mundial de exergía en 2005
“Transformidad” directa
87 EJ
40 EJ
30 EJ
13 EJ
39 EJ
174 EJ
120 EJ
12 EJ
Carbón
Gas
Petróleo
Uranio
Hidroeléctrica
Biomasa 4 EJ 1 EJ
Eólica
Solar
1,5 EJ
Fósiles y nuclear
0,5 EJ
15 EJ
De la “transformidad directa podríamos decir que de cada Exajulio eléctrico generado de plantas FV en red, ( como exergía final), se pueden ahorrar 4 Exajulios de energía primaria
“Transformidad” inversa/2
Arena Silicio
Lingotes
Oblea
Célula
con vidrio templado + Cobre+ Soldadura+ Tedlar+EVA+ Caja conex+Cableado´+encapuslado+ Caja embalaje, etc.
“Transformidad” Inversa/1
canalización, cableado
Infraestructura metálica
Seguidores
Lavado de módulos
O&M
Accesos externos e internos
Vallado perimetral y seguridad
Transformadores
DC/AC Inversores
Contadores digitales
Líneas de evacuación
Red nacional
Maquinaria y transporte en toda la cadena de valor
Medio industrial
Fábricas FV. Aparcamientos Y flota de vehículos
Calles, carreteras, autopistas
Ministerios, entes reguladores, Bancos Entidades financieras, ayuntamientos, seguros, administración, etc., etc.
Mano de obra especializada en toda la cadena de valor
Bombeo inverso, gas presurizado en cavernas. Almacenamiento
Minería de metales y tierras raras Transporte
Tratamiento, lavado refinado, fundición
Cámaras limpias, sistema de filtrado, purificación, dopaje
Módulo fotovoltaico
“Transformidad” Inversa/1
Llegar a poner un sistema solar FV completo en funcionamiento durante 25 años, exige costes energéticos previos de una sociedad que consume principalmente energía fósil. Por tanto, es vital analizar el nivel de estas inversiones y sus rendimientos netos efectivos
¿Cuáles de estas actividades se pueden considerar “verdes”?
“Transformidad” Inversa/2
100%
76-63 45-0 31-0
Los módulos FV entregan 15 unidades de energía. Sea este punto de
partida = 100
Sol 100 unidades de energía
La electricidad se usa para hacer hidrógeno por electrólisis con 20-30% de pérdidas
El hidrógeno se comprime o licúa para su almacenamiento con 30-40% de pérdidas
El hidrógeno se pierde en el almacenamiento o transporte entre un 15 y un 100% del acumulado
La celda de combustible convierte de nuevo el hidrógeno en electricidad con una pérdida de entre el 30 y el 50%
Las líneas de transmisión pierden entre el 5 y el 10%
95-90
53-38
La combustión directa convierte de nuevo el hidrógeno en electricidad con una pérdida de entre el 60 y el 70% por el ciclo de Carnot
12-0
Pérdidas en acumulación de baterías y motor eléctrico 10-20%
Electrolineras
Transporte Terrestre electrificado
72-49
Almacenaje de energía en cavernas Pérdidas de un 15-30%
Bombeo inverso Pérdidas de un 30%
80-63
Métodos de acumulación
Hay que alimentar 284 EJ ahora no eléctricos
Funciones difícilmente sustituibles eléctricamente
METODOLOGÍA: CÁCULO DE LA ENERGÍA OBTENIDA (ER or Eout)
La energía generada (ER).
Fuentes: Comisión Nacional de Energía (CNE). Informe de mayo de 2012.
Tomamos la medida
promedio de CNE
en contadores de baja
de 1.797 MWh/MWn
BRUTOS
Energía
Vendida
(GWh)
Energía
Primada
(GWh)
Potencia
Instalada
(MW)
Nº Inst.
Enero 261 261 3.438 51.627
Febrero 396 396 3.443 51.863
Marzo 529 529 3.430 52.346
Abril 570 570 3.404 52.143
Mayo 672 672 3.395 51.615
Junio 644 644 3.397 51.516
Julio 717 717 3.381 51.669
Agosto 663 663 3.386 51.364
Septiembre 512 512 3.389 51.433
Octubre 502 502 3.396 51.506
Noviembre 362 362 3.389 51.970
Diciembre 245 245 3.397 52.084
6.074 6.074
Enero 262 262 3.436 52.267
Febrero 304 304 3.471 52.481
Marzo 480 480 3.503 52.644
Abril 589 589 3.544 52.919
Mayo 709 709 3.590 53.309
Junio 683 683 3.641 53.599
Julio 784 784 3.725 53.983
Agosto 721 721 3.749 54.212
Septiembre 629 629 3.759 54.342
Octubre 547 547 3.772 54.588
Noviembre 381 381 3.804 54.757
Diciembre 314 314 3.841 55.016
6.405 6.405
Enero 351 351 3.869 55.234
Febrero 504 504 3.908 55.436
Marzo 535 535 3.944 55.733
Abril 660 660 3.985 56.032
Mayo 747 747 4.009 56.203
Junio 810 810 4.048 56.425
Julio 856 856 4.080 56.712
Agosto 798 791 4.129 56.988
Septiembre 726 538 4.148 57.225
Octubre 624 206 4.162 57.405
Noviembre 362 73 4.207 57.670
Diciembre 421 66 4.246 57.903
7.394 6.138Total 2011
2009
Total 2009
2010
2011
Total 2010
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Ene
ro
Feb
rero
Mar
zo
Ab
ril
May
o
Jun
io
Julio
Ago
sto
Sep
tie
mb
re
Oct
ub
re
No
vie
mb
re
Dic
iem
bre
Ene
rgía
ge
ne
rad
a e
n G
Wh
2.009
2.010
2.011
Informe CNE mayo 2012
Año
Potencia promedio en MWn
Energía generada en GWh
Energía generada promedio
en MWh/MW
n
2009 3,397 6,074 1,788
2010 3,619 6,405 1,769
2011 4,043 7,398 1,829
Compuesto 2009-2011 11,059 19,877 1,797
Pérdidas típicas en un análisis de Performance Ratio (PR)
Mismatchof modules Dust
Angular &Spectral
Non-fulfilment of nameplatepower
Losses due to temperature
Shadowing MPPT DC Wiring
AC/DC Conversionlosses in inverter
AC LowV Wiring (within the plant)
Medium Voltage Losses(Within the plant) Others: Voltage
sags and swells, etc.
Losses in the evacuationline as per distributor (2%)
Averaged overdimensioningof PV Plants (8%)
Levelized losses by degradation of modules over lifetime (25 years)11.4%
99.4 98.4 97.4 97.4
91.9 91.989.990.9
84.584.1 82.0
82.0
0.6%1% 1%
5.5%
0%
0%1%
1%
5.4%0.4%
0%2.1%
1,375 MWh/MWpReal yield
Low Voltage Digital MeterMeasuring generated energy
(Legal measuring point)
Medium Voltage Digital Meter
+8%
Nominal installed poweras accountedby CNE (100%)
Nameplate (peak) installed poweras effectively installed(108%)
1,797 MWh/MWn
Diagrama de Sankey fotovoltaico español
6.624 GWh BRUTOS/año promedio 5.069 GWh NETOS/año promedio
METODOLOGÍA: CÁLCULO DE LA ENERGÍA INVERTIDA (EI o Ein)
Arena Silicio Lingotes
Oblea Célula
+ vidrio templado + Cobre+ Soldadura+ Tedlar+EVA+ Caja conex+Cableado´+encapuslado+ Caja embalaje, etc.
1
2. El proceso de los módulos
Módulo FV
Análisis de los costes de energía embutidos de los módulos, sistemas y externalidades
canalización, cableado
Infraestructura metálica
Seguidores
Lavado de módulos
O&M
Accesos externos e internos
Vallado perimetral Y seguridad
Transformadores
DC/AC Inversores
Contadores digitales
Líneas de evacuación Red nacional
Maquinaria y transporte en toda la cadena de valor
3. Externalidades
del sistema FV
Medio industrial
1. El proceso de las células
Fábricas FV. Aparcamientos Y flota de vehículos
Calles, carreteras, autopistas
4. Áreas societales
de gasto
energético SINE
QUA NON
Ministerios, entes reguladores, Bancos Entidades financieras, ayuntamientos, seguros, administración, etc., etc.
Mano de obra especializada en toda la cadena de valor
Cell Energy Invested PV Module Energy Invested PV Balance ofSystem
Energy Invested
Societal Balance of System (BoS)
Energy Invested
Hidden /ignored/minimized /underestimated BoS energies throughout the whole process
Alquiler o compra De la tierra
Bombeo inverso, gas presurizado en cavernas. Almacenamiento
Costes ocultos/ignorados, subestimados. Energía del BoS en todo el proceso social
La energía invertida (EI)
Tomados y aceptados de Análisis de Ciclo de Vida convencionales . Bankier and Gale que a su vez citan varios estudios y autores con sistemas poli, mono película delgada, etc.
TRE~8.3
Algunos de los costes energéticos (BoS) que se ignoran en muchos ACV sobre solar FV. estos gastos fueron calculados directamente en energía (Prieto-Hall)
Otros costes energéticos necesarios, generalmente Ignorados en los EPBTs de los sistemas solares. Calculados de los costes económicos trasladados a equivalentes energéticos y distribuidos sobre un periodo de 25 años y anualizados
1 TRE Final = ------ = 2.18 0.458
Factor Energía invertida típica en un Sistema fotovoltaico (EI o Ein)
Meuros
/año
GWhEquiv
/año
Energía
Invertida en
ER*X
Energía utilizada en el emplazamiento
a1 Accesos, cimientos, canalizaciones y vallas perimetrales xx 0,031
a2 Inversiones en líneas de evacuación y derechos de paso xx xx 0,001
a3 Costes energéticos de Operación y Mantenimeinto xx xx 0,155
a4 Lavado y/o limpiado de módulos y estructuras xx 0,002
a5 Autoconsumo de las plantas xx 0,005
a6 Seguridad y supervisión de las plantas xx x 0,024
Energía utilizada fuera del emplazamiento para fabricación de lingotes,
células, módulos y cierto equipo
a7 Módulos, inversores, seguidores y estructura metálica (sin mano de obra) x 0,12
Otros gastos energéticos de actividades SINE QUA NON para plantas FV
a8 Transporte. Desde el local hasta de fabricantes de China xx 0,019
a9Obsolescencia prematura de equipo de fabricación sin amortizar y otros xx xx 0,028
a10
Costes energéticos asociados a la inyección de cargas intermitentes: costes de
bombeo inverso u otros sistemas de almacenamiento masivo xx xx 0
a11 Seguros xx xx 0,004
a12 Ferias, exhibiciones, promociones, conferencias, etc. xx xx 0,005
a13 Gastos de administración xx xx 0,007
a14 Tasas e impuestos municipales (2-4% total proyecto) xx xx 0,003
a15 Coste de la compra o alquiler a largo plazo del terreno xx xx 0,002
a16Mano de obra curcunstancial e indirecta (no incluída en mano de obra directa) xx xx 0,004
a17 Agente Representante o Agente de Mercado xx xx 0,001
a18 Robo y vandalismo de equipos xx xx 0,002
a19 Comunicaciones, control remoto y gestión de planta xx xx 0,003
a20 Pre-sincripción, inscripción, avales y depósitos xx xx 0
a21 Red eléctrica/reestructuración de las líneas de alta tensión xx xx 0,035
a22 Módulos, inversores y seguidores defectuosos xx xx 0,007
a23
Costes energéticos asociados a la inyección de cargas intermitentes:
establización de red y costes asociados (ciclos combinados) xx xx 0
a24 Actos de Fuerza Mayor: tormentas, rayos, inundaciones, granizo xx xx 0
a1to a24Energía total invertida 1936,4 0,458
La energía invertida (EI) en gastos financieros Análisis de sensibilidad
Energía embebida en los servicios financieros
Fuentes: Para los servicios financieros se han tomado los datos de los costes de créditos y leasings habituales para estos proyectos en el periodo 2008 and 2009, con sus costes comerciales considerando exclusivamente como coste energético adicional los intereses y no el capital o principal, utilizando después los equivalentes económico/energéticos que resultan de la relación Energía Primaria Total/PIB, pero al ratio analizado por el Carnegie-Mellon en sus tablas I/O para los EE. UU., ya que en España no hay tablas actualizadas. Tampoco están considerados los créditos de fabricantes de equipos y EPCs de servicios relacionados con las plantas fotovoltaicas.
Este concepto de BoS financiero o inversiones energéticas ampliadas, no se han incluido en los cálculos finales porque podrían estar parcialmente mezclados con los costes energéticos de la tabla general de inversiones energéticas en un contexto más amplio.
Sin embargo y sin ninguna duda,
hay GASTOS ENERGÉTICOS
EQUIVALENTES que pueden
reducir sustancialmente la
TRE resultante final en un
contexto social más amplio Los gastos energéticos extras considerados en forma monetaria, sólo se han calculado con los intereses pagados sobre capital proveniente de una sociedad fundamentalmente fósil, y no necesariamente retornan a generar más energía
Factor Energía típica contenida en los servicios finaniceros de los sistemas fotovoltaicos Cantidad
a25 Servicios financieros en equivalentes energético/económicos ER*0,066
La energía invertida (EI) en trabajo Un análisis de sensibilidad
Energía contenida en la mano de obra
Fuentes: Para la mano de obra los datos provienen de informes públicos de ASIF/UNEF y de AEF, que cifran la mano de obra a tiempo completo y parcial que se ha creado y realizando las correspondientes equivalencias de trabajo/energía de trabajadores activos ocupados lo que da los MWh/trabajador ocupado a un nivel nacional promedio de consumo
Este concepto de mano de obra
como BoS o inversiones energéticas
ampliadas, no se han incluido en
los cálculos finales porque podrían
estar parcialmente mezclados con
los costes energéticos de la tabla
general de inversiones energéticas
en contexto amplio.
Se mencionan sólo como análisis
de sensibilidad (entre cero y ese valor)
“La energía es necesaria para mover la mano de obra. Esta energía, como la que gasta el coautor en pescar en Argentina, está generalmente apoyada en el consumo de combustibles fósiles. Por si fuera poco, la trucha se devuelve al río con lo que aquí la TRE es CERO
Factor Energía invertida típica en un sistema fotovoltaico Energía
invertida
a26.1 Ingenieros y técnicos españoles en instalación, O&M, etc ER*0,055
a26.2 Idem mano de obra extranjera para productos instalados en España ER*0,027
a26 Mano de obra directa e indirecta asociada y su coste económico energético ER*0,082
La TRE solar FV en España (2009-2011) Resultados con análisis de sensibilidad
EROI/TRE (Convencional) = 8,3:1 EROI/TRE (con los costes energéticos del entorno asociado) = 2,2:1 EROI/TRE suponiendo grandes avances tecnológicos) = 3:1 EROI/TRE con los costes financieros y de mano de obra incluídos) = <2:1
Conclusiones
LAS MEJORAS EN LA REDUCCIÓN DE COSTE DE CÉLULAS O LOS AUMENTOS DE LA EFICIENCIA DE LAS MISMAS TIENEN EFECTOS
LIMITADOS (MAXIMO ~1/3) EN LA MEJORA GLOBAL DE LA TRE CUANDO SE CONSIDERAN TODAS LAS EXTERNALIDADES SOCIALES
Muchos componentes de los BoS, de hecho, aumentan de precio
Cuando los combustibles fósiles aumentan de precio.
PAÍSES COMO ALEMANIA, CON UNA IRRADIANCIA MUCHO MENOR E INSTALACIONES SOBRE CUBIERTA MUCHO MÁS INEFICIENTES
PUEDEN TENER UNA TRE DE PROBABLEMENTE ENTRE 1/5 Y 1/3 MÁS BAJA QUE LA DE ESPAÑA
Conclusiones/2
MUCHOS DE LOS ITEMS DE LA ENERGÍA GENERADA Y/O LAS PÉRDIDAS CONSIDERADAS EN LOS SISTEMAS SOLARES FV FUNCIONAN COMO
“EL ESLABÓN MÁS DÉBIL DE LA CADENA”, DE FORMA QUE SI UNO DE ELLOS FALLA, TODO EL
NUMERADOR DE LA ER SE DEGRADA O SE DESPLOMA
MUCHOS DE LOS ITEMS DE LA ENERGÍA INVERTIDA CONSIDERADOS EN UN SISTEMA FV NO SOLO AÑADEN CARGA AL DENOMINADOR EI,
SINO, LO QUE ES MÁS IMPORTANTE, SU MALFUNCIONAMIENTO PUEDE AFECTAR NEGATIVAMENTE A LOS FACTORES DE LA ENERGÍA GENERADA
(P.E. AL CICLO DE VIDA DE LOS 25 AÑOS SUPUESTO) P.E., UNA DEFICIENTE O&M PUEDE REFLEJARSE
EN MAYORES PÉRDIDAS POR POLVO O EN TIEMPOS MAYORES FUERA DE SERVICIO DE ELELENTOS CLAVE DEL SISTEM FV
Conclusiones/3
LOS FACTORES ER Y EI SON TODAVÍA TREMENDAMENTE DEPENDIENTES Y ESTÁN APUNTALADOS POR ACTIVIDADES LLEVADAS A CABO POR UNA
SOCIEDAD BASADA FUNDAMENTALMENTE EN LOS COMBUSTIBLES FÓSILES. NO SE DIVISAN EN EL HORIZONTE SISTEMAS SOLARES FV AUTOSOSTENIDOS
QUE ADEMÁS PUEDAN MANTENER EL SISTEMA ACTUAL EN MODO BAU
REVISIÓN sugerida a la baja de la TRE
Fuentes: Charles A. S. Hall. Balloon Diagram con diferentes estimaciones de la TRE
Crecimiento solar FV improbable
La energía solar FV opera más bien como un “FOSSIL FUEL EXTENDER” o prolongador de la aportación energética de los combustibles fósiles…. ….mientras estos sigan ofreciendo el nivel actual
Muchas gracias por su atención
Pedro Antonio Prieto Pérez [email protected]
www.crisisenergetica.org
www.peakoil.net
