Desafios de un modelo energético sostenible

Las energías renovables tienen severas limitaciones para resolver la compleja ecuación energética del país.

Edgar Ocampo Téllez *

(Artículo publicado en la edición noviembre-diciembre 2017 de la revista "Energía a Debate").

En las próximas décadas el parque eléctrico nacional va a ser sometido a una enorme presión por el crecimiento del sector industrial y urbano, por la incorporación de vehículos eléctricos al transporte y por la integración de fuentes renovables a la red eléctrica para cumplir con las metas climáticas.

Los requerimientos de electricidad del país pueden triplicarse hacia el 2050 y aún no existe una prospectiva de un sano equilibrio entre estas tres componentes. En ese sentido, es fundamental determinar un nivel adecuado de la demanda de electricidad que sea coherente con el potencial “real” de los recursos energéticos disponibles en el territorio, tanto renovable como fósil.

Sin embargo, eso no es lo que está ocurriendo. Al contrario, existe tal entusiasmo por las renovables en torno a su capacidad para reemplazar a las fuentes fósiles, que se le da poca importancia al tema y se ignoran los riesgos implícitos en la transformación del sector energético que ya evidencian los países que intentan ser “verdes”.

Lo que ha impedido tener claridad es el renacimiento de una abundante propaganda de todos los lobbies del sector energético, la cual persigue desprestigiar a sus competidores en el mercado de la energía. Tanto el lobby nuclear, como el petrolero y el de renovables, están saturando los medios de comunicación con información manipulada a su favor y con un manejo tendencioso de los datos.

Tal es el caso de México. La producción nacional de petróleo se encuentra en declinación terminal, las importaciones de gas aumentan aceleradamente y se desconoce el potencial real de las renovables. Sin embargo, la propaganda anuncia que la Reforma Energética permitirá volver a una producción de 3 millones de barriles diarios de petróleo, que la explotación del shale va a revertir las importaciones de gas y que las renovables pueden suministrar toda la electricidad que el país va a necesitar.

En la práctica, la implementación de modelos energéticos basados en renovables no es tan simple. Alemania después de 17 años de impulsar su programa “Energiewende” no ha logrado cerrar sus centrales eléctricas a carbón, dio marcha atrás en algunas acciones “verdes”, como imponer en 2016 un límite a la expansión de la eólica, y además no va a lograr sus metas climáticas en 2020. La situación es tan grave que la revista Forbes se ha referido al programa alemán como “The Green Energy Disaster”.

Existen seis aspectos fundamentales en torno a las fuentes renovables que deben ser considerados en el diseño y construcción de un modelo energético sostenible en México para evitar los problemas que están sorprendiendo a naciones como Alemania y Australia.

El primer aspecto es la densidad energética. La base actual de generación eléctrica convencional fósil y nuclear tiene una alta densidad energética superior a los 10 KWh por cada kilogramo de materia y las tecnologías renovables tienen una baja densidad energética menor de 5 KWh por m2 para la eólica, de 0.2 KWh por m2 de superficie para la solar y de 0.2 KWh para las baterías, por lo que reemplazar la misma capacidad de fuente fósil por fuentes renovables va a implicar mayor cantidad de construcción de infraestructura.

El segundo aspecto es el uso de suelo y la ubicación de las zonas aptas. La implantación de la eólica y solar requiere de enormes superficies para su despliegue y el potencial no siempre está en el lugar en que se le necesita. La tecnología tanto convencional fósil como nuclear permite concentrar en 1 km2 alrededor de 1,000 MW de potencia. En el caso de la solar, solo se pueden instalar 160 MW por cada km2, y en la eólica, menos de 50 MW. La expansión de las renovables va a requerir de 10 a 20 veces más superficie. Esta lógica implica mayor presión sobre el suelo agrícola, zonas naturales, reservas ecológicas y conflictos con las comunidades. Asimismo, las tecnologías convencionales se pueden localizar ahí donde se requiere la electricidad, en cambio las regiones con vocación para la explotación de renovables no siempre se encuentran cerca a los centros de consumo o a proximidad de las redes de transmisión, por lo que la inversión del Estado en ese sentido será importante.

El tercer aspecto es el potencial de las fuentes renovables, que por lo general se considerada como ilimitado e infinito. Sin embargo, las áreas con vocación para la energía eólica o solar no crece, ni es homogénea en todo el territorio. El potencial se encuentra disperso y las zonas más productivas tienden a concentrarse puntualmente. En el caso de la eólica las mejores ubicaciones están en Oaxaca, Tamaulipas y Yucatán. Una vez que se ocupen esas zonas, el crecimiento de la eólica será marginal.

El cuarto aspecto tiene que ver con la frecuencia de la generación de electricidad de las renovables. En México, la eólica puede generar electricidad durante unas 2,500 horas de las 8,760 horas que tiene un año. Es decir, que durante más de 6,000 horas al año no genera nada. En el caso de la solar es aún peor, pues sólo son unas 1,000 horas al año de generación. Además, la eólica y la solar generan electricidad de forma inestable, las súbitas variaciones provocadas por las ráfagas de viento o por el paso caótico de nubes en la solar, crean bruscas distorsiones en la inyección de electricidad a la red, lo que dificulta su manejo.

El quinto aspecto es el “índice de productividad anual” de cada tecnología. La capacidad anual de producción de la tecnología convencional fósil y nuclear es superior al de las fuentes renovables. Un MW de potencia de ciclo combinado, carbón o de nuclear puede generar al año 6 GWh de forma estable, en comparación de la eólica que genera alrededor de 2 GWh y la solar 1 GWh al año por cada MW de potencia instalada dependiendo del clima de cada año (ver lámina 1).

El sexto aspecto es lo impredecible de la generación de la eólica y solar que regularmente no se alinea a los picos de demanda de electricidad. Existen cuatro combinaciones entre la generación de las renovables y la demanda de electricidad; la primera es cuando se alinean máxima demanda con máxima producción de renovables que representa una situación ideal; la segunda es cuando se alinean baja demanda y baja producción de renovables. Sin embargo, las otras dos siguientes son de alto riesgo.

La tercera es cuando la demanda de electricidad es baja y la producción renovable está al máximo, creando un exceso de generación que debe desahogarse de urgencia a otras regiones o países vecinos a precio negativo. La cuarta combinación es cuando la demanda está al máximo y la generación de renovables es baja, lo que puede provocar un blackout total de la red. Esta combinación se presentó en Alemania a principios de este año y estuvo a punto de provocar un apagón masivo que hubiera afectado a buena parte de la red europea. Para compensar la falta de generación de las renovables se han construido centrales de respaldo de combustibles fósiles, por lo que el esfuerzo por disminuir las emisiones de CO2 se ve mitigado. Alemania y España han experimentado esta situación debido a que tienen que hacer funcionar sus centrales a carbón cuando las renovables no producen suficiente electricidad.

En un intento por resolver este problema también se han construido sistemas de almacenamiento de electricidad denominados BESS (battery energy storage systems). Estos sistemas tienen la desventaja de que la eólica y la solar sólo producen electricidad durante unas 2,500 horas al año y la mayor parte de ese tiempo la están inyectando a la red, por lo que el período de carga es irregular.

Y aún si se dedicaran a cargar los equipos de forma permanente, el tiempo de electricidad que van a entregar las baterías continúa siendo menor a 2,500 horas al año.

¿Cuál es la situación de México ante este desafío?

En el 2016, la demanda nacional de electricidad llegó a los 300 TWh/año y si se mantiene el crecimiento histórico de 2% anual, es probable que para el 2050 llegue a los 550 TWh/año. Además, dependiendo del éxito en la incorporación de vehículos eléctricos, la demanda podría llegar a los 1,000 TWh/año.

El sector transporte en México consumió en 2016 alrededor de 2,400 Petajoules. La proyección de esa demanda para el 2050 puede llegar a los 4,600 Petajoules/año. Suponiendo el reemplazo de sólo el 30% del parque vehicular del país por transporte eléctrico, la parte proporcional serían 1,400 Petajoules/año, que equivalen a unos 380 TWh/año de demanda de electricidad, por lo que el requerimiento total en 2050 podría rondar los 930 TWh/año, tres veces lo que hoy consume el país.

Los objetivos de la Secretaría de Energía (SENER) suponen que el 50% de la generación eléctrica para el 2050 provenga de fuentes “limpias” definidas como la nuclear, eólica, solar, hidroeléctrica, geotermia y biomasa. ¿Es viable esta meta? ¿Existe suficiente potencial para cubrir 465 TWh de generación eléctrica con fuentes limpias?

A México le faltan 400 TWh para llegar a esa meta, pues hoy se producen sólo 65 TWh al año de electricidad con fuentes limpias, de los cuales 30 TWh provienen de la hidráulica, 10 TWh de la nuclear, 10 TWh de la eólica, 6 TWh de la geotermia y el resto está repartido entre solar, cogeneración y biomasa.

Tanto la energía hidráulica como la geotérmica son tecnologías maduras, muy desarrolladas en el territorio nacional desde hace más de 50 años y que se encuentran al límite de ocupación máxima de las áreas disponibles, por lo que tienen poco potencial de crecimiento. En ese sentido, el exdirector de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), Alfredo Elías Ayub, confirmó durante el foro “Análisis de la Reforma Energética” organizado por esta revista, que la hidráulica ya no tiene posibilidad de crecimiento y el consultor en proyectos de energía geotérmica, el Dr. Luca Ferrari, adscrito al Centro de Geociencias de la UNAM, afirma que la mayor parte de los yacimientos de esta fuente ya fueron ocupados, por lo que tampoco tiene potencial de crecimiento a futuro. Es así que el abasto de electricidad de fuentes limpias va a recaer únicamente en la eólica, solar, biomasa y nuclear.

Tomando en consideración el potencial estimado por la SENER para las fuentes renovables, un posible balance de la generación al 2050 quedaría de la siguiente manera: la energía hidráulica puede llegar a aportar unos 35 TWh al año y la geotermia unos 10 TWh, para la eólica el potencial máximo es de 88 TWh al año y el de la biomasa es de 12 TWh. Es así que la suma de estas 4 fuentes, a su máxima capacidad, ofrece unos 145 TWh al año. Los 320 TWh que faltan para cumplir con la parte de energías limpias, tendrán que ser distribuidos únicamente entre solar y nuclear.

Según las estimaciones de la SENER, el potencial máximo de la solar es de alrededor de 200 TWh al año. Para completar la aportación de fuentes limpias, la nuclear tendría que pasar de generar 10 TWh/año a 120 TWh/año en 2050, lo que implica necesariamente reabrir la discusión sobre la expansión de esta controvertida tecnología en México. En caso de que no se permitiera la continuidad de la nuclear, 110 TWh tendrían que ser generados por alguna otra fuente, lo cual es imposible.

¿Qué infraestructura será necesaria construir para lograr este balance y cuál será su costo? Además, una vez que se sature el potencial máximo de cada fuente renovable, ¿cuál será la tecnología que podrá continuar satisfaciendo el nuevo crecimiento de la demanda más allá del 2050?

Para generar 88 TWh/año con energía eólica se requieren 35,000 MW de potencia instalada, considerando una productividad de 2.5 GWh al año por cada MW instalado (ver lámina 1) y para generar 200 TWh/año con energía solar se requieren unos 185,000 MW de potencia instalada a razón de 1.1 GWh al año por cada MW instalado. Lo anterior implica construir alrededor de 10,000 turbinas eólicas y 1,150 Km2 de paneles solares, a razón de 160 MW por Km2.

Los costos de esta infraestructura podrían superar los 400 mil millones de dólares. Además, según la experiencia mundial, se requiere para respaldo de la eólica y solar, para cuando no haya viento o no haya sol, de 2 tercios de la capacidad instalada de renovables, es decir, alrededor de 190,000 MW, que, por el momento, sólo pueden provenir del ciclo combinado a gas. El monto de construcción de respaldo puede llegar a los 200 mil millones de dólares.

Para generar 120 TWh/año con energía nuclear, se tendrían que agregar alrededor de 20,000 MW de potencia en 13 centrales nuevas, similares a la de Laguna Verde en Veracruz. El costo de esta infraestructura podría superar los 120 mil millones de dólares.

Para el caso de la hidráulica se requiere la construcción de 2,000 MW de potencia en unas ocho presas similares a la de Chicoasén II que actualmente está en construcción en Chiapas y para el caso de la geotermia, se requiere de la construcción de unos 475 MW de potencia. Los costos de ambas fuentes podrían alcanzar los 5,200 millones de dólares. En el caso de la biomasa sería necesario la construcción de 3,000 MW de potencia con un costo aproximado de 12 mil millones de dólares.

El monto aproximado de inversión para la remodelación del sector eléctrico mexicano, puede superar fácilmente los 700 mil millones de dólares en este escenario, sin considerar los costos de ampliación de redes de transmisión, compra o renta de suelo y modernización del sistema eléctrico para gestionar la interconexión de las renovables.

Alemania, después de 17 años, sólo ha alcanzado una generación eléctrica de 180 TWh/año con fuentes renovables y la inversión realizada está cerca de los 200 mil millones de dólares.

Confiar en que las renovables van a resolver la compleja ecuación energética del país puede poner en riesgo el sector eléctrico nacional en el corto plazo. El lobby de las renovables se apoya en el estudio de Mark Jacobson y la Universidad de Stanford, que afirma que 139 países, entre ellos México, pueden convertirse en 100% renovables. Sin embargo, Alemania, que está a la vanguardia del fervor verde, no va a lograr sus metas más inmediatas que vencen en 2020.

¿Acaso no es evidencia suficiente para analizar con rigor los desafíos de la construcción de un modelo energético sostenible?

• Arquitecto egresado de la UNAM, Analista de la Asociación para el Estudio de los Recursos Energéticos. Profesor del ITAM en el Diplomado de Inversiones en Energía. (ocampo@inergy.lat ).