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La transition energética
Durante mucho tiempo me ha preocupado la cuestión de si una transición energética como la que se propaga por todas partes es siquiera posible, por lo que recopilé diversa información para calcularla. Dichos cálculos no son muy precisos porque suelen basarse en promedios; en realidad, los cálculos precisos dependen naturalmente de valores individuales precisos. Es difícil obtener valores exactos, no solo porque a menudo se ocultan o se falsifican, sino también porque nadie los ha considerado seriamente todavía. Además, por supuesto, existe una amplia variedad de tecnologías, cada una con sus propios valores y eficiencias. Tomemos como ejemplo una turbina eólica. En mis cálculos, asumo las turbinas eólicas más recientes con una capacidad de unos 10 megavatios. Es muy posible que dentro de diez años haya turbinas eólicas con una capacidad de 15 megavatios, lo que requeriría espacios diferentes, por lo que cualquier cálculo tendría que rehacerse. Sin embargo, los cálculos actuales muestran ciertos límites y una dirección clara para continuar como hasta ahora, independientemente de las consecuencias de esta acción. Analicemos con más detalle los resultados de varios cálculos:
Solo en Alemania, los vehículos particulares requieren aproximadamente 2500 kWh de electricidad por vehículo al año. Multiplicado por los aproximadamente 44 millones de vehículos, se obtienen aproximadamente 110 TWh de demanda adicional. Esto supone aproximadamente un 22 % más de demanda eléctrica, o 11 nuevas centrales eléctricas de 10 teravatios hora cada una al año, con aproximadamente 1 giga-vatio de potencia, o incluso aproximadamente 12 500 nuevos aerogeneradores, si todos los vehículos fueran realmente eléctricos mañana. Esto requeriría unos 100 km² de espacio para aerogeneradores. Como se mencionó, esto es solo para vehículos particulares... No se incluyen en el cálculo los 3,8 millones de camiones ni los 2,5 millones de camión tractoras. Un camión consume una media de 114.000 kWh al año, lo que supondría unos 706,8 TWh adicionales. Es una lástima, ya que se necesitarían unos 81.000 aerogeneradores adicionales, que a su vez ocuparían unos 648 km². La conversión de los hogares de petróleo, carbón, pellets de madera y gas natural a sistemas de calefacción eléctricos será otro problema. El consumo energético de las viviendas ronda los 17.644 kilovatios hora al año por hogar. Con 41 millones de hogares, esto supone unos 723 TWh adicionales, que requerirían unos 82.000 aerogeneradores adicionales, con un requisito de espacio de unos 656 km². La industria alemana consumió 911,11 TWh en 2023, unos 103.000 aerogeneradores adicionales, con un requisito de espacio de unos 824 km². Por lo tanto, tendríamos que cubrir un consumo anual de aproximadamente 2450 TWh con energía eléctrica para 2050, ya que queremos alcanzar la neutralidad climática para entonces. Sin duda, podríamos abastecer parte de esta cantidad con energía fotovoltaica, pero incluso en este caso, las necesidades de espacio serían extremas. Un kilómetro cuadrado de energía fotovoltaica solo produce 0,18 TWh al año. Para cubrir la mitad de la demanda, se necesitarían la friolera de 6800 km². O bien, habría que construir 245 centrales eléctricas convencionales de 1 giga-vatio cada una. Una central eléctrica de gas de 1 GW, incluyendo los edificios operativos, requiere entre 2 y 3 km² de espacio; las centrales eléctricas de gas requieren 530 millones de m³ de agua al año; las centrales eléctricas de carbón solo necesitan una superficie de entre 0,5 y 1 km³, pero se necesitan entre 4 y 5 km² para extraer el carbón y consumir 1.540 millones de m³ de agua; y las centrales nucleares necesitan entre 1,5 y 2 km² de espacio y 2.440 millones de m³ de agua. La construcción de centrales eléctricas de gas por sí sola requeriría aproximadamente 500 km² de espacio y consumiría aproximadamente 130.000 millones de m³ de agua. Esto correspondería solo a un país: Alemania, un país relativamente pequeño.
Sin embargo, esto no incluye los centros de datos ni las expansiones previstas relacionadas con la inteligencia artificial. Según las previsiones, el consumo global de electricidad de los centros de datos de IA se multiplicará por once entre 2023 y 2030, pasando de 50 000 millones de kilovatios hora a unos 550 000 millones de kilovatios hora. Junto con los demás centros de datos, esto significa que se utilizarán alrededor de 1400 teravatios hora de electricidad para el procesamiento central de datos en 2030. Esto corresponde aproximadamente al 56 % de la demanda energética total de Alemania. Esto se asocia a un aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero de los centros de datos de 212 millones de toneladas en 2023 a 355 millones de toneladas en 2030, a pesar de la supuesta expansión de las energías renovables para la generación de electricidad. Fuente: Öko-Institut
Por eso no queremos hablar de proyectos de ciudades inteligentes; no creo que algo así ocurra, al igual que no creo que se hagan fantasías sobre la captura de CO2.
La tendencia es tal que la demanda futura de electricidad para 2030 no podrá satisfacerse con las tan promocionadas "energías renovables", que representan tan solo alrededor del 10 % de la matriz energética mundial. Se presentan repetidamente cifras que muestran que, por primera vez en Alemania, se obtiene más energía de fuentes renovables (más del 50 %) que de combustibles fósiles, y esto ocurre principalmente en verano. Sin embargo, esto siempre se refiere a la demanda actual sin la conversión de vehículos, hogares, procesamiento de datos ni industria. Para 2030, la UE aspira a alcanzar el 90 % de energía procedente de energías renovables y no a ser 90 % neutral en términos climáticos, como podría pensarse, porque eso no es posible, y creo que los responsables son conscientes de ello. Tampoco creo que la neutralidad climática para 2050 sea posible.
Además, todos estos equipos: aerogeneradores, sistemas fotovoltaicos y la enorme cantidad de componentes electrónicos necesarios para su funcionamiento contienen grandes cantidades de tierras raras y metales críticos. Tras un máximo de 25 a 30 años, cuando estas instalaciones tengan que ser reemplazadas, se generarán billones de toneladas de residuos y chatarra en todo el mundo, que actualmente no pueden reciclarse adecuadamente.
Además, ya existen estudios que demuestran claramente que las tierras raras y los metales críticos no son suficientes para una transición energética global de este tipo mediante turbinas eólicas o energía fotovoltaica. Solo algunos metales están disponibles en cantidades suficientes, y la falta de reciclaje —ni siquiera existe una infraestructura para el flujo inicial de residuos— tampoco ayuda, ya que cada país tendría que recibir primero materiales antes de poder financiar la renovación constante y necesaria de las instalaciones a partir de materiales reciclados.
Según informes, China generará la mayor parte de residuos fotovoltaicos para 2050, con 13,5 millones de toneladas. Le siguen Estados Unidos con 7,5 millones de toneladas, Japón con 6,5 millones de toneladas e India con 4,5 millones de toneladas. Alemania ocupa el quinto lugar y podría acumular aproximadamente 4,4 millones de toneladas de módulos fotovoltaicos usados para 2050. La planta de reciclaje de módulos solares más grande de Europa recicla aproximadamente 4.000 toneladas al año.
La energía utilizada para la producción y el reciclaje se genera actualmente a partir de hasta un 90 % de combustibles fósiles. La logística necesaria aún depende casi exclusivamente de combustibles fósiles. Todo el proceso de reciclaje inicialmente causa más daños ambientales que beneficios. Metales críticos como la plata, el indio, el cadmio, el plomo, el selenio y el estaño (según el tipo) aún no se pueden recuperar y continúan terminando en vertederos de residuos peligrosos.
La eficiencia de un sistema fotovoltaico, a diferencia de las turbinas eólicas, es de tan solo un 15-22% si se considera el complejo y energético proceso de producción. Un módulo solar fabricado en China se produce en un 90% con combustibles fósiles y luego se envía a Europa en buques de fueloil pesado. La extremadamente corta vida útil de 25 a 30 años y el hecho de que la producción se reduzca a la mitad después de tan solo 15 años, así como la compleja electrónica necesaria para su funcionamiento (un inversor, por ejemplo, solo dura 15 años), se reducen repentinamente a tan solo un 2-3%. Esto se debe al reciclaje inadecuado de las materias primas utilizadas y a la energía necesaria para eliminar los residuos y almacenarlos durante años.
El balance es aún más desastroso para las turbinas eólicas. Estas contienen grandes cantidades de cobre y tierras raras; en una sola turbina se encuentran hasta 25 toneladas de cobre y hasta 3 toneladas de tierras raras. Una turbina eólica de tamaño mediano, incluyendo la infraestructura, requiere hasta 400 toneladas de cobre y 45 toneladas de tierras raras como praseodimio, disprosio, terbio o neodimio. Una turbina eólica con una capacidad de diez megavatios requiere 2 toneladas de neodimio únicamente. Además del PRFV, las palas de rotor más modernas también contienen madera de balsa, lo que significa que una pala de rotor contiene aproximadamente 50 árboles. Por lo tanto, una turbina eólica completa requiere alrededor de 150 árboles. La carcasa de la góndola, la caja de engranajes y el generador están hechos de aluminio o componentes de aluminio, de los cuales se requieren hasta 350 toneladas por turbina eólica. Cuando una turbina eólica deja de funcionar, las bases suelen dejarse en el suelo, ya que recuperar estos bloques sería demasiado costoso y contaminan el área circundante al desintegrarse. El hormigón de los tubos solo es adecuado como relleno en la construcción de carreteras, y la góndola, que contiene los metales valiosos, suele triturarse y el metal, separado de forma irregular, se vende, generalmente como metal mixto. El neodimio de los aerogeneradores es prácticamente imposible de reutilizar. Si bien es técnicamente posible recuperar el neodimio de productos antiguos, a menudo resulta antieconómico o los procesos aún no están completamente desarrollados.
El mayor problema reside en las palas. Los plásticos reforzados con fibra de vidrio (PRFV) no pueden desecharse en vertederos porque no se descomponen. Tampoco pueden quemarse, ya que apenas arden. Por lo tanto, se convierten en un combustible sustituto mediante cintas transportadoras de combustión y luego se queman con otros materiales, lo que reduce significativamente el valor de los aerogeneradores como fuente de energía verde.
Los gases de escape producidos durante este proceso deben depurarse en sistemas extremadamente complejos, y tras este proceso quedan polvo altamente tóxico y un líquido igualmente tóxico, que posteriormente debe eliminarse en vertederos de residuos peligrosos.
Una sola turbina eólica de 7 megavatios libera aproximadamente 4500 toneladas de CO2 a la atmósfera durante su vida útil, desde su producción hasta su eliminación final. Este CO2 permanece allí durante mil años.,Sin embargo, sólo ahorra 6.790 toneladas de CO2 durante su vida útil.
Además, deberíamos hablar de las baterías. Se necesitan millones de toneladas de baterías para posibilitar una "transición energética" de este tipo, ya que la energía eólica y solar es extremadamente inestable en tierra y debe almacenarse. Por lo tanto, no solo necesitamos baterías en los vehículos, sino que las necesitaríamos prácticamente en cualquier lugar donde se genere energía eléctrica. En 2050, se necesitaría almacenamiento en el rango de los teravatios, especialmente de octubre a marzo, y mucho más de lo previsto, ya que la demanda real aún no se ha calculado adecuadamente. Sé por algunas fuentes en línea que la capacidad de almacenamiento ronda probablemente los 40 teravatios hora, aunque esto se basa sin duda en las necesidades actuales, sin coches, sin camiones y sin la conversión de hogares e industrias. Sin embargo, si realmente queremos ser neutrales en términos climáticos para 2050, debemos al menos cubrir los 2450 TWh anuales que necesitamos, calculados anteriormente, y ser capaces de almacenar una gran parte de ellos. Si queremos seguir impulsando el crecimiento económico exponencialmente, como desea la industria, será mucho más. No lo conseguiremos con solo 40 TWh. Como ya he dicho, supongo que al menos cinco veces esa cantidad, es decir, 200 TWh.
Y lo único que tenemos a nuestra disposición hasta ahora para resistir los periodos de oscuridad es un sistema de gestión energética inteligente que enciende los dispositivos cuando la electricidad es barata. Esto es especialmente útil si se sale a la autopista a las 5 de la mañana, pero el dispositivo no tiene que cargar el coche eléctrico hasta las 10 de la mañana, cuando brilla el sol y la electricidad es más barata. Así que todo esto es un disparate a medias y no funcionará. Muy poca gente se involucra en algo así, y adquirir e implementar tales sistemas es una tarea larga y compleja. Por supuesto, requiere almacenamiento, almacenamiento para cientos de teravatios de energía.
Es difícil imaginar el tamaño de la mayor instalación de almacenamiento de baterías de China, con una capacidad de tan solo 16 gigavatios hora. Pero si estas baterías LFP se distribuyeran entre coches eléctricos, solo serían suficientes para unos 250.000 vehículos. Sin embargo, esto requeriría un área de aproximadamente 8 km². Calculemos rápidamente cuánto espacio necesitamos para nuestros 200 TWh estimados, y eso sería unos insuperables 100.000 km²; solo piensen en Alemania. Esto se extrapola de la mayor instalación de almacenamiento de baterías alemana a la que tengo acceso. Pero incluso si hubiera mejores baterías o estas se apilaran verticalmente, el espacio requerido sería simplemente gigantesco.
Mis cálculos no son necesariamente la verdad absoluta; la verdad depende de muchos factores, para los cuales se necesitan datos muy precisos, que la mayoría de los licitadores aún no tienen. Sin embargo, los problemas fundamentales son visibles.
Los costos de un sistema de almacenamiento de este tipo también son muy altos y dependen de la tecnología y el tamaño. Para el almacenamiento industrial, los costos oscilan entre 400 y 700 euros por kWh almacenable. Incluso con otros tipos de conversiones, como el hidrógeno, por ejemplo, hay pérdidas y los costos se disparan. Las plantas de almacenamiento por bombeo presentan una necesidad particular de espacio, y aquí también las pérdidas son considerables.
Además, los requisitos de material para miles de estos parques de baterías serían casi imposibles de realizar. Las baterías suelen tener una vida útil de entre 8 y 10 años o 1000 ciclos de carga completos, tras los cuales deben reemplazarse o reciclarse. Esto se traduce en tres o cuatro ciclos de reemplazo por vida útil del sistema. El esfuerzo sería considerable, y probablemente por eso no habría más desempleados, ya que todos estarían empleados en el mantenimiento de estos sistemas y de los parques de baterías de alta demanda.
Esto no significa que deban abandonarse todos los esfuerzos. Hay gobiernos que recurren cada vez más a centrales de gas o incluso nucleares, llegando incluso a considerarlas libres de emisiones, a pesar de que los residuos permanecen radiantes durante algunos o incluso millones de años y también representan emisiones de radiación. Esto no logrará ninguno de nuestros objetivos, ya que si todo el mundo cambiara a la energía nuclear, las ya escasas reservas de material nuclear se agotarían pronto y no podríamos alcanzar nuestros objetivos climáticos con gas.
Sin embargo, es evidente que las turbinas eólicas y la energía fotovoltaica por sí solas no pueden lograr una transición energética. En el mejor de los casos, podrían cubrir parte o incluso la totalidad del consumo actual (automóviles, camiones, hogares, comercio minorista e industria) y ni siquiera serían capaces de alimentar nuevos centros de datos con inteligencia artificial. No habría suficiente espacio para esto, no hay suficientes tierras raras ni metales críticos para cubrir la demanda global, y para garantizar que los sistemas se reemplacen cada 30 años, necesitaríamos crear un gigantesco sistema de reciclaje que pudiera garantizar el reciclaje con pérdidas prácticamente nulas; de lo contrario, todo el proyecto fracasaría en el primer ciclo de reemplazo por falta de materiales.
La energía de fusión podría sortear todos estos problemas, pero si alguna vez habrá un reactor en funcionamiento sigue siendo una incógnita. Incluso el último reactor del NIF de 2009, aunque inicialmente prometedor, falló en 2024 y se sometió a una investigación mínima debido a la falta de perspectivas de futuro. La misión principal del NIF era probar el comportamiento de los materiales en condiciones similares a las de la explosión de un arma nuclear (Documento del Bundestag alemán 20/14352). En lugar de completarse en 2025, el ITER no estará listo para la operación de prueba hasta 2034. Las primeras reacciones de fusión reales que utilizan los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio como combustible también se retrasarán y no comenzarán antes de 2039. Pero incluso este gigantesco reactor nunca entregará energía.
Probablemente tomará al menos otros cien años antes de que un reactor en funcionamiento pudiera realmente entrar en funcionamiento, si es que llega a hacerlo. La energía de fusión no puede resolver los problemas climáticos actuales.
Una solución que podría funcionar
El primer espejo parabólico funcional, con un motor Stirling y un generador para generar voltaje, se construyó alrededor de 1900. La tecnología es bien conocida, funciona, es suficientemente eficiente y tiene un diseño muy simple. Los sistemas con espejos parabólicos pueden operarse con motores convencionales; no se requiere neodimio. El sistema de control es extremadamente simple y puede implementarse con un solo ordenador por campo. Estos sistemas son extremadamente duraderos y, con un mantenimiento y cuidado adecuados, pueden operar durante más de cien años y luego reciclarse al menos en un 95 %.
El diseño de los sistemas es técnicamente simple y puede implementarse rápidamente. Los plazos de construcción en desiertos son muy cortos, típicamente de solo tres años, y los sistemas suministran energía desde el principio. Al estandarizar los espejos parabólicos a nivel mundial en tres o cuatro tamaños diferentes, estos o sus componentes podrían fabricarse en cualquier parte del mundo y ser reparados y/o mantenidos por cualquier técnico, reduciendo significativamente los costos en comparación con la producción individual.
Al distribuir sistemas adecuados para la generación de energía en los desiertos del mundo y conectar todos los sistemas (incluidos los eólicos, hidroeléctricos, geotérmicos y fotovoltaicos) a una red energética internacional, se podría lograr con relativa facilidad un suministro de energía las 24 horas del día, los 365 días del año.
El almacenamiento de energía se puede lograr con relativa facilidad en los desiertos mediante almacenamiento térmico, lo que permite que los sistemas sigan suministrando energía durante la noche. De este modo, se eliminarían los grandes sistemas de almacenamiento en baterías.
Al combinarlos con una red hídrica internacional alimentada por plantas de desalinización de agua salada en las costas, es decir, desde los océanos, no solo sería posible reabastecer diversos depósitos de agua subterránea deteriorados, sino también producir hidrógeno localmente en sistemas más pequeños en todo el mundo y distribuirlo a los hogares a través de redes locales de baja presión. Las plantas industriales podrían producir su propio hidrógeno según fuera necesario.
Esto significa que los problemas actuales del calentamiento global probablemente ya no puedan resolverse, pero al menos pueden estabilizarse a un nivel alto.
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