Necesitamos electricidad limpia y firme para un sistema energético descarbonizado
Si queremos descarbonizarnos, vamos a necesitar mucha más electricidad. Y si queremos hacerlo con éxito, de forma asequible y fiable, vamos a necesitar desplegar todo tipo de tecnologías energéticas sin carbono que estén a nuestro alcance.
Para descarbonizar la red, debemos sustituir los actuales sistemas de combustibles fósiles por energía limpia, así como llenar el vacío dejado por las centrales nucleares que se retiran, y luego duplicar o triplicar ese total para satisfacer la demanda incremental de electrificación en los sectores del transporte, residencial, comercial e industrial. En Estados Unidos, este doble reto requerirá una generación ocho veces superior a la que actualmente cubren las fuentes con cero emisiones de carbono (Figura 1)1.
La energía eólica, la solar y el almacenamiento en baterías serán probablemente la piedra angular de esta futura red eléctrica ampliada, pero es probable que no podamos depender únicamente de ellas, ya que dependen de las condiciones meteorológicas -variando su producción en un factor de dos o más en función de la hora, el día y la estación- y no están disponibles bajo demanda para adaptarse a la carga de electricidad.2 Incluso si pudiéramos suministrar toda o casi toda nuestra electricidad a partir de estas fuentes, es probable que para mantener la fiabilidad y contener los costes en un sistema de este tipo hicieran falta cantidades sustanciales de energía de carbono cero, es decir, energía limpia firme, no dependiente de las condiciones meteorológicas y siempre disponible.
Los estudios académicos y de la industria muestran sistemáticamente que lograr esa transición de forma oportuna y asequible depende de permitir que las tecnologías de generación limpias firmes complementen a la eólica, la solar y el almacenamiento dentro del mix eléctrico. Estas fuentes incluyen la energía geotérmica, la combustión de hidrógeno, la biomasa y el gas con captura de carbono, y la energía nuclear.3 Pueden proporcionar electricidad a cualquier hora del día, cualquier día del año, independientemente de la estación o el clima.
Y la generación limpia firme es fundamental para la transición energética por razones que van más allá de la fiabilidad. He aquí cinco de ellas:
1. Laenergía limpia firme reduce la necesidad de capacidad eólica y solar sobredimensionada
Un sistema eléctrico sin generación firme y despachable requiere que la capacidad eólica y solar se dimensione para satisfacer la mayor carga estacional y diaria. En los momentos de máxima actividad eólica y solar, esto se traduce en un exceso de generación por encima de lo necesario para equilibrar la carga. Parte de este exceso de generación podría utilizarse para reabastecer el almacenamiento y para generar hidrógeno por electrólisis. Sin embargo, es probable que gran parte de este exceso de oferta se reduzca (es decir, se apague intencionadamente). Por ejemplo, la Figura 3 muestra la restricción histórica de la energía eólica y solar en el sistema del Operador del Sistema Independiente de California ("CAISO", por sus siglas en inglés).4 Este exceso de capacidad instalada de energía eólica y solar sería caro, utilizaría más tierra y minerales críticos y aumentaría los requisitos de transmisión, todos ellos retos importantes que se describen más adelante.
2. La energía limpia y firme reduce la necesidad de una capacidad de almacenamiento de larga duración, cara y a la que rara vezse recurre.
El almacenamiento de corta duración suele proporcionar electricidad durante periodos de 4 horas. Sin embargo, es probable que se produzcan periodos prolongados de escasez, desde varios días hasta incluso meses, a lo largo de un año normal (Figura 4).5 Por lo tanto, el almacenamiento debe dimensionarse en función del estado de carga anual máximo necesario, no de la demanda diaria máxima. En este ejemplo, para cubrir este "déficit energético" y mantener la fiabilidad de este sistema sin energía limpia firme sería necesario instalar una gran capacidad de almacenamiento (33 TWh de almacenamiento) para cubrir el periodo de escasez de 68 días. Este almacenamiento requeriría una gran infraestructura de alto coste, la mayor parte de la cual sólo se utiliza una vez al año.
3. La energía limpia firme reduce el kilometraje y la cantidad de nuevas líneas de transmisiónque es necesario construir
Debido a la naturaleza dispersa de los generadores renovables variables, cada grupo, y ocasionalmente las centrales individuales, requieren una línea de transmisión para conectarse a la línea de transmisión principal ("a granel"). Un estudio reciente sobre California concluyó que una red que dependiera exclusivamente de fuentes variables dispersas que necesitaran ser equilibradas triplicaría la cantidad de líneas de transmisión necesarias frente a un sistema con energía limpia y firme como la nuclear,6 y sin embargo California sólo autoriza actualmente unas pocas líneas de este tipo por década, con retrasos medios recientes de 10 años.7 En el Reino Unido se han observado tiempos de espera similares durante décadas.8 Planificar y construir estas líneas de transmisión lleva tiempo, y la mayoría de las entidades de planificación de la transmisión no han sido equipadas, dotadas de personal o financiadas adecuadamente para evaluar estas solicitudes de interconexión de manera eficiente. Los costes de estas mejoras de las infraestructuras también hacen que el coste final del proyecto sea incierto, pero es probable que aumente a medida que se agoten los mejores emplazamientos con un acceso más fácil a las líneas de transmisión, lo que podría compensar cualquier disminución adicional de los costes de la tecnología eólica y solar.
4. La energía limpia y firme reduce la dependencia de un desplazamiento de la demanda generalizado y constante para mantener la fiabilidad.
La naturaleza variable de la energía eólica y solar a lo largo del día exigiría una transformación de la forma en que utilizamos nuestra electricidad. En la red actual, la generación de electricidad se ajusta a lo largo del día para satisfacer nuestra demanda. En una red eólica y solar sin generación firme, ocurriría lo contrario; incluso con un alto grado de almacenamiento, tendríamos que ajustar nuestra demanda para seguir los patrones de generación diaria eólica y solar. Esto suele denominarse "flexibilidad de la demanda" e incluye medidas industriales, comerciales y residenciales como reducir la producción de las fábricas en momentos de poco sol o viento, controlar cuándo se cargan los vehículos eléctricos y encender y apagar la calefacción, la refrigeración y el aire acondicionado para adaptarlos a la generación.
Aunque esto es teóricamente posible, requeriría una enorme supervisión operativa y un grado no probado de participación social y modificaciones del comportamiento, junto con políticas gubernamentales estrictas. La inclusión de la generación limpia y firme en el mix de la red reduce drásticamente la dependencia de estas medidas de flexibilidad de la demanda, al ser capaz de aumentar la oferta de electricidad para satisfacer la demanda, como hace la generación fósil y nuclear existente en nuestra red actual.
5. Una energía limpia y firme acelera la transición energética
La mitigación de los peores efectos del cambio climático depende de que descarbonicemos rápidamente el sistema energético, y satisfacer nuestra demanda de energía únicamente con energías renovables retrasaría la transición debido al enorme número de proyectos que habría que desarrollar y ubicar para instalar suficiente capacidad eólica y solar. El emplazamiento será cada vez más difícil a medida que aumente la capacidad acumulada de energía eólica y solar, debido a la competencia por el uso del suelo, el menor número de propietarios dispuestos, la mayor distancia a la red de transporte y la creciente oposición pública (Figura 5), como se explica más adelante.
Para que quede claro, no se trata de un debate entre empresas limpias y renovables variables. Necesitamos ambas. La combinación de fuentes limpias firmes con la eólica y la solar reduciría el coste total de la transición y el horizonte temporal entre un 60 y un 110% (dependiendo del estudio de modelización y de las especificaciones y supuestos del escenario).10 Por ejemplo, un estudio del EPRI de 2021 concluyó que un escenario 100% renovable costaría entre 500.000 y 800.000 millones de dólares más que un escenario de emisiones netas cero con tecnología diversa, para los horizontes temporales de 2050 y 2035, respectivamente.11 Un estudio de las vías de electricidad 100% libre de carbono en California armonizó los supuestos de tres modelos diferentes y concluyó que complementar la energía eólica, solar y de almacenamiento con generación limpia firme podría reducir los costes del sistema de red eléctrica limpia hasta la mitad (Figura 6).12
Satisfacer la sobrecargada demanda de electricidad y, al mismo tiempo, descarbonizar la red y mantener la fiabilidad será un reto enorme, que subraya la necesidad de energía limpia y firme para complementar las renovables variables. Para superar este reto, necesitamos todas las fuentes de energía sin carbono que estén a nuestro alcance. Eso significa invertir en nuevas vías sin carbono y, al mismo tiempo, mantener las fuentes de energía sin carbono existentes como parte de nuestra cartera de soluciones de energía limpia.
1 Datos de Eric Larson et al., Universidad de Princeton, Net-Zero America: Potential Pathways, Infrastructure, and Impacts, informe provisional (2020), https://netzeroamerica.princeton.edu/img/Princeton_NZA_Interim_Report_15_Dec_2020_FINAL.pdf.
2 Véase Dan Tong et al., Geophysical constraints on the reliability of solar and wind power worldwide, Nature Commc'n, 22 de octubre de 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-26355-z.
3 Una revisión de 7 estudios nacionales halló que la cuota media de energía limpia firme era del 35% de la mezcla de generación neta cero proyectada. Véase The NorthBridge Group, Review and Assessment of Literature on Deep Decarbonization in the United States: Importance of System Scale and Technological Diversity 11 (2021), https://cdn.catf.us/wp-content/uploads/2021/06/21092235/NorthBridge_Deep_Decarbonization_Literature_Review.pdf
4 Estados Unidos EIA, California's curtailments of solar electricity generation continue to increase, Today in Energy, (24 de agosto de 2021), https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=49276
5 Jesse Jenkins, Universidad de Princeton (2019), análisis inédito realizado para CATF, disponible previa solicitud.
6 Véase Jane Long, et al, Clean Firm Power is the key to California's Carbon-Free Energy Future, Issues in Science and Technology (2021), https://www.edf.org/sites/default/files/documents/LongCA.pdf.
7 Alex Breckel y otros, Growing the Grid: A Plan to Accelerate California's Clean Energy Transition (2022), https://cdn.catf.us/wp-content/uploads/2022/10/11081420/growing-grid-plan-accelerate-californias-clean-energy-transition.pdf
8 Gil Plimmer, Renewables projects face 10-year wait to connect to electricity grid, Financial Times (8 de mayo de 2022) https://www.ft.com/content/7c674f56-9028-48a3-8cbf-c1c8b10868ba
9 CATF, basado en un trabajo inédito de Lucid Catalyst; cifra disponible previa petición.
10 Véase, por ejemplo, Nestor Sepulveda et al., The Role of Firm Low-Carbon Electricity Resources in Deep Decarbonization of Power Generation, Joule, 17 de octubre de 2018, https://www.researchgate.net/publication/327480033_The_Role_of_Firm_Low-Carbon_Electricity_Resources_in_Deep_Decarbonization_of_Power_Generation; Christopher Clack, Bipartisan Policy Center, Modeling Renewable Energy, Clean Technologies and Electrification for Deep Decarbonization Future (2019), https://vibrantcleanenergy.com/wp-content/uploads/2019/05/BPPC-VCE_RevCF-_31May2019.pdf; Ejeong Baik et al., What is different about different net-zero carbon electricity systems?, Energy & Climate Change 10 de julio de 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666278721000234; James Williams et al., Carbon Neutral Pathways for the United States, AGU Advances, 14 de enero de 2021, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020AV000284; y Jamil Farbes et al., Evolved Energy Research, Federal Policy for Low-Carbon, High-Renewables Electricity (2020), file:///Users/toddwarshawsky/Downloads/Policy_LowCarbonElectricity_20201111.pdf
11 Geoffrey Blanford et al., Electric Power Rsch. Inst., Powering Decarbonization: Strategies for Net-Zero CO2 Emissions (2021), https://www.epri.com/research/products/3002020700
12 Baik et al., nota 21 supra, en 5.
