Las energías renovables pueden proporcionar el 100 por cien de la energía mundial, eliminando todos los combustibles fósiles. Por Mark Z. Jacobson (Universidad de Stanford) y Mark a. Delucchi (Univ. California–Davis).

La energía eólica y la energía solar en los lugares adecuados reduciría la energía consumida en el mundo. Los autores rechazan los biocombustibles y la energía nuclear.

El plan de los autores exige 3,8 millones de grandes aerogeneradores de 5 MW, 90.000 centrales termosolares y fotovoltaica, y numerosas instalaciones de geotérmica, mareas y techos fotovoltaicos en todo el mundo.

El costo de generar y transmitir la energía sería menor que el coste proyectado por kilovatio-hora de combustibles fósiles y energía nuclear. Escasez de algunos materiales especiales, junto con la falta de voluntad política, aparecen como los mayores obstáculos.

En diciembre, líderes de todo el mundo se reunieron en Copenhague para tratar de llegar a un acuerdo sobre reducción de las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero durante décadas. El paso más eficaz para el cumplimiento de ese objetivo sería un cambio enorme desde los combustibles fósiles a las fuentes de energías renovables. Si pueden tener los dirigentes confianza en que tal transformación es posible, pueden comprometerse a un acuerdo histórico. Creemos que lo pueden hacer.

Hace un año el ex Vicepresidente Al Gore arrojó un guante: apague y vuelva a encender América con 100 % de electricidad libre de CO2 dentro de 10 años. Nosotros comenzamos a evaluar la viabilidad de ese cambio y tomamos un reto aún mayor: determinar cómo el 100 por cien de la energía consumida en todo el mundo, a todos los efectos, podría ser suministrada por el viento, el agua y el sol, y tan pronto como en 2030. Nuestro plan se presenta aquí.

Los científicos han ido acumulando piezas hasta el momento presente para que en menos de una década, analizando diferentes piezas del desafío, pueda alcanzarse el objetivo del 100% de renovables. Más recientemente, en 2009, un estudio realizado por la Universidad de Stanford clasificó los sistemas de energía conforme a sus impactos en calentamiento global, la contaminación, abastecimiento de agua, uso de la tierra, la vida silvestre y otros problemas. Las mejores opciones eran, en este orden, eólica, solar, geotérmica, marea y energía hidroeléctrica — todos las cuales son impulsadas por el viento, el agua o la luz del sol (se conocen con las siglas WWS en inglés).
La energía nuclear, el carbón con captura de CO2 y el etanol eran las opciones peores, asi como el petróleo y el gas natural. El estudio también descubrió que los vehículos eléctricos con baterías y de combustible de hidrógeno, podrían en gran medida eliminar la contaminación en el sector del transporte.
Nuestro plan necesita millones de aerogeneradores, instalaciones hidroeléctricas y solares, tanto fotovoltaicas como termosolares. Los números son grandes, pero no es la escala un obstáculo insuperable; nuestra sociedad ya antes ha logrado masivas transformaciones. Durante la segunda guerra mundial, los Estados Unidos terminó adaptando fábricas de automóviles para producir 300.000 aviones y otros países produjeron 486.000 aviones más. En 1956, Estados Unidos comenzó la creación del sistema estatal de autopistas , que 35 años después se extendieron a 47.000 millas, cambiando el comercio y la sociedad.
¿Es posible transformar los sistemas de energía del mundo? ¿Podría realizarse en dos décadas? Las respuestas dependen de las tecnologías elegidas, la disponibilidad de materiales críticos y de factores económicos y políticos.

Sólo tecnologías limpias

Las energías renovables proceden de fuentes seductoras: viento, que también produce olas; agua, que incluye la energía hidroeléctrica, mareas y geotérmica (agua calentada por rocas calientes); sol, que incluye energía fotovoltaica y la solar termoeléctrica que focalizan la luz del sol para calentar un fluido que impulsa una turbina para generar electricidad. Nuestro plan incluye sólo las tecnologías actualmente en operación o que están cerca hoy de la producción en gran escala, en lugar de aquellas que puedan necesitar 20 o 30 años de preparación a partir de hoy.
Para asegurarse de que nuestro sistema energético permanecería limpio, consideramos sólo las tecnologías que tienen casi cero emisiones de gases de efecto invernadero y contaminantes atmosféricos durante todo su ciclo de vida, incluyendo la construcción, operación y desmantelamiento. Por ejemplo, cuando se queman en los vehículos, incluso la mayoría de las fuentes de etanol ecológico crean contaminación del aire que provoca el mismo nivel de mortalidad que cuando se quema gasolina. La energía nuclear produce hasta 25 veces más de emisiones de dióxido de carbono que la energía eólica, cuando se consideran la construcción y el enriquecimiento del uranio y su transporte. La captura de carbono y su tecnología de secuestro pueden reducir las emisiones de dióxido de carbono de las centrales térmicas, pero aumentará la emisión de sustancias contaminantes del aire y se extenderá a todos los otros efectos nocivos de la minería, transporte y procesamiento del carbón, porque se tiene que emplear más carbón para atender la demanda energética de las etapas de captura y almacenamiento. Asimismo, consideramos sólo las tecnologías que no presenten eliminación de residuos o riesgos de ser utilizadas por el terrorismo.
En nuestro plan, WWS suministrarían la energía eléctrica para calefacción y el transporte (industrias que se tendrían que renovar si el mundo tiene alguna esperanza de frenar el cambio climático). Hemos asumido que más combustibles fósiles (de calefacción así como hornos y estufas) pueden ser reemplazados por sistemas eléctricos y más vehículos de transporte de combustibles fósiles pueden sustituirse por vehículos eléctricos de baterías y pilas de combustible. El hidrógeno, producido por electrólisis con electricidad de WWS , alimentaría las pilas de combustible para producir electricidad en la industria y se emplearia en los motores de los aviones.

Gran cantidad de suministros

Hoy en día la potencia máxima que se consume en el mundo en cualquier momento dado es de aproximadamente 12,5 billones de vatios (teravatios o TW), con arreglo a la información de energía de la agencia EIA de EE UU. La agencia prevé que en 2030 el mundo exigirá 16,9 TW de potencia debido al aumento de población y el nivel de vida global, con aproximadamente 2,8 TW en Estados Unidos. La mezcla de fuentes prevista sería similar a la de hoy, y dependería en gran medida de combustibles fósiles. Si, por el contrario , el planeta estuviera totalmente movido por WWS, no habría quema de combustibles fósiles o biomasa, y se produciría un ahorro en el consumo de energía primaria. La demanda global de energía se reduciría a sólo 11,5 TW, y la demanda de EE UU sería de 1,8 TW. Este descenso se produce porque, en la mayoría de los casos, la electrificación es una forma más eficiente de utilizar la energía. Por ejemplo, sólo entre un 17 % y 20 % de la energía existente en la gasolina se transforma en energía mecánica para mover el vehículo (el resto se desperdicia como calor), mientras que del 75 al 86% de la electricidad entregada por su batería a un vehículo eléctrico, se transforma en movimiento. Piénsese asimismo en que en la producción de electricidad por medio de centrales térmicas, más del 60% de la energía del combustible se pierde en forma de calor que va a la atmófera. Lo mismo sucede en el transporte donde todos los motores son térmicos.
Aunque la demanda aumentara a 16,9 TW, las fuentes WWS podrían suministrar dicha energía; de hecho el potencial de suministro de las energías renovables es enorme. Estudios detallados realizados por nosotros y otros indican que la energía potencial del viento, en todo el mundo, es aproximadamente 1.700 TW. La Solar , fotovoltaica y termosolar, alcanzaría los 6.500 TW. Claro está que, el viento y sol en los mares abiertos, sobre las montañas altas y en todas las regiones protegidas no estarían disponibles. Si restamos estas áreas y otras donde hay poco viento, todavía nos quedaríamos con 40 a 85 TW para el viento y 580 TW para la energía solar, muy por encima de cualquier demanda futura. Actualmente solo generamos 0,02 TW de energía eólica y 0,008 TW de energía solar. Como se ve estas fuentes contienen una cantidad increíble de potencial sin explotar.
Las otras tecnologías WWS ayudarían a crear un sistema flexible y una amplia gama de opciones. Aunque todas las fuentes renovables se pueden ampliar en gran medida, en la práctica , la potencia de las olas solo se pueden extraer en las zonas costeras. Muchas fuentes geotérmicas son demasiado profundas para ser explotadas desde el punto de vista económico. Y aunque la hidroeléctrica ahora supera a todas las demás fuentes WWS, la mayoría de los grandes embalses adecuados ya están en explotación.

El PLAN : Se necesitan centrales de energias renovables

Claramente, existen suficientes energías renovables aprovechables. ¿Cómo podemos hacer la transición a una nueva infraestructura para proporcionar al mundo 11,5 TW? Hemos optado por una mezcla de tecnologías destacando la eólica y la solar, con cerca de 9 % de la demanda suministrada por hidroeléctrica. (Otras combinaciones de viento y solar podrían ser igualmente adecuadas).
La Eólica suministraría el 51 por ciento de la demanda (5,75 TW), proporcionada por 3,8 millones grandes turbinas eólicas (cada una de aproximadamente cinco megavatios) en todo el mundo. Aunque que cantidad puede parecer enorme, es interesante observar que el mundo fabrica 73 millones de coches y camiones ligeros cada año. Otro 40 por ciento de la energía provendría de energía fotovoltaica y plantas de energía termosolares de concentración. La fotovoltaica suministraría el 30 por ciento. Aproximadamente serían necesarias 89.000 plantas fotovoltaicas en tejado y suelo, asi como centrales solares termoeléctricas de concentración con un promedio de 300 megavatios cada una. Nuestra mezcla también incluye a los 900 centrales hidroeléctricas en todo el mundo, el 70 por ciento de los cuales ya están instaladas .
Sólo aproximadamente el 0,8 por ciento de la potencia eólica arriba mencionada (5,75TW) está instalada al día de hoy. Para darse una idea de la superficie ocupada por todas las turbinas del mundo, esto es, 3,8 millones de aerogeneradores , ocuparían menos de 50 km2 (menor que la superficie de Manhattan). El espacio que ocuparían podría utilizarse , no obstante para la agricultura o la ganadería extensiva. Las plantas de energía fotovoltaica instaladas en el suelo y las plantas de energía solares concentradas ocuparían cerca del 0,33 por ciento de las tierras del planeta. La creación de tales plantas supone una amplia infraestructura que llevará tiempo. Pero también se necesitó para construir el actual sistema con sus centrales y redes. Y recuerde que si seguimos con combustibles fósiles, la demanda 2030 aumentará a 16,9 TW en vez de los 11,5 TW, que requerirán unas 13.000 nuevas instalaciones de térmicas de carbón o gas natural, que a su vez ocuparían mucho más terreno, así como la minería y gasoductos para suministrarles.

El obstáculo de los materiales

La escala de la infraestructura WWS no es una barrera. Pero unos pocos materiales que se necesitan para construirla , podrían escasear o estar sujetos a la manipulación de precios.
Existen suficiente cemento y acero para los millones de turbinas eólicas y ambos productos son totalmente reciclables. Los más problemáticos materiales pueden ser metales de las tierras raras como neodimio utilizados en cajas reductoras de las turbinas eólicas. Los fabricantes se están moviendo hacia turbinas gearless, por lo tanto esa limitación puede llegar a ser discutible.
Las células fotovoltaicas dependen del silicio amorfo o cristalino, cadmio, teluro, o seleniuro de cobre indio y sulfuro. El limitado suministro de telurio y indio podría reducir las perspectivas de algunos tipos de las células solares delgadas, aunque no para todos; los otros tipos de podrían llevar a ocupan el espacio no utilizado. La producción a gran escala podría ser restringida por la plata que requieren de células, pero se podría hacer frente a ello al encontrar maneras de reducir el contenido de plata. El reciclaje de partes de las células viejas podría mejorar también las dificultades de materiales.
Tres componentes podrían representar desafíos para la fabricación de millones de coches eléctricos: tierras raras para motores eléctricos, litio para baterías de iones de litio y platino para las pilas de combustible. Más de la mitad de las reservas del mundo de litio se encuentran en Bolivia y Chile. Dicha concentración, combinada con la rápida y creciente demanda, podría elevar los precios significativamente. Más problemático es el aviso dado por Meridian Internacional Research de que no hay suficiente litio económicamente recuperable para construir el número de baterías necesarios en una economía global de vehículos eléctricos. El reciclaje podría cambiar la ecuación, pero la economía de reciclaje depende en parte si se realizan las pilas con fácil reciclado en mente, un problema de lo que la industria es consciente. El uso a largo plazo de platino también depende del reciclado; las actuales reservas disponibles podrían mantener la producción anual de 20 millones de pilas de combustible para vehículos, junto con los usos industriales existentes, al menos para 100 años.

Mezcla inteligente para la sostenibilidad

Una nueva infraestructura debe proporcionar energía por lo menos tan confiable como el infraestructura existente. Las tecnologías WWS generalmente sufren menos tiempo de parada que las fuentes tradicionales. Las centrales de carbón de EE UU están, en promedio, un 12,5 % sin conexión al año para el mantenimiento programado y no programado. Los aerogeneradores modernos tienen un tiempo de parada de menos del 2 por ciento en tierra y menos del 5 % offshore. Sistemas fotovoltaicos también están parados menos del 2 por ciento. Además, cuando una turbina eólica, solar o inversor no funciona, sólo una pequeña parte de la instalación se ve afectada y su pérdida supone una pequeña fracción de la producción; cuando pierde la conexión una planta de gas natural o carbón, o nuclear, se pierde una gran parte de la producción.
El principal desafío de los WWS, es que el viento no siempre sopla y el sol no siempre brilla en una ubicación determinada. Los problemas de intermitencia pueden ser mitigados por un equilibrio inteligente de fuentes, como la generación de base con geotérmica o con olas y mareas o el almacenamiento de la nergía. La eólica es a menudo abundante por la noche cuando no hay sol, o la solar por el día cuando puede no haber viento. Otras veces una fuente fiable como la hidroeléctrica puede conectarse o desconectarse rápidamente para satisfacer la demanda pico ó disminuir la oferta. Igualmente en caso de disponer de bombeo se puede almacenar. Otro ejemplo: parques eólicos que están a sólo 100 a 200 millas de distancia pueden compensar horas de cero potencia de otros parques eólicos donde no tienen viento. También es útil la interconexión de fuentes geográficamente distantes que pueden apoyarse una a la otra, la instalación de contadores eléctricos inteligentes en hogares que recarguen automáticamente los vehículos eléctricos cuando la demanda es baja o entreguen energía eléctrica a la red cuando estén cargados y parados. Es muy alentador la aparición de sistemas de almacenamiento de electricidad para compensar las fluctuaciones de producción de la fuentes renovables intermitentes. A este respecto hay que reseñar el almacenamiento por sales y otro métodos en las plantas solares termoeléctricas, actualmente ya en operación.

Tan económicas como el carbón

La combinación de fuentes WWS en nuestro plan suministrarían de forma fiable al sector residencial, y a los sectores comerciales, industriales y de transporte. La siguiente pregunta es: ¿sería rentable realizar el cambio, en comparación con el sistema actual de combustibles fósiles? .Para cada tecnología se ha calculado cuanto costaría a un productor generar energía y transmitirla a través de la red. Se han incluido el coste anualizado de capital, terrenos, operación y mantenimiento, almacenamiento de energía para compensar los desvíos del suministro intermitente, y la transmisión. Hoy en día el costo de la eólica, hidroeléctrica y geotérmica son menos de siete 7 céntimos de dólar por kilovatio-hora (¢/kWh); marina y solar son superiores. Pero de 2020 en adelante se espera que la eólica , marina e hidroeléctrica estén en los 4 ¢/kWh o menos.
Como comparación, el costo promedio en Estados Unidos en 2007 de la generación de energía convencional y transmisión , fue de 7 ¢/kWh, y las proyecciones son de 8 ¢/kWh en el año 2020. La generación eólica, por ejemplo, cuesta lo mismo o menos que la que se hace a partir de una planta nueva de gas natural, o carbón y en el futuro se espera que la energía eólica sea la menos costosa de todas las opciones. El costo competitivo del viento ha hecho que sea actualmente la segunda fuente de energía eléctrica de las nuevas plantas de generación de Estados Unidos durante los últimos tres años, detrás del gas natural y por delante del carbón.
La energía solar tanto fotovoltaica como termosolar de concentración es, en estos momentos, relativamente cara, pero será competitiva antes de 2020. Un análisis cuidadoso realizado por Vasilis Fthenakis del Laboratorio Nacional de Brookhaven indica que en un plazo de 10 años, los costos de la fotovoltaica podrían colocarse cerca de 10¢/kWh, incluida la transmisión a larga distancia y el costo de almacenamiento del aire comprimido para poder usarla por la noche. Igualmente, el análisis de las estimaciones de sistemas de solar termoeléctrica con suficiente almacenamiento térmico para generar electricidad 24 horas al día en la primavera, verano y otoño, indica que se podría ofrecer electricidad a 10 ¢/kWh o menos en dicha fecha.
El transporte en un WWS Mundial estará determinada por las baterías ó pilas de combustible, por lo que debemos comparar la economía de estos vehículos eléctricos con la de vehículos de motor de combustión interna. Análisis detallados hechos por uno de nosotros (Delucchi) y Tim Lipman de la Universidad de California, Berkeley, indicaron que la producción en masa de vehículos eléctricos con baterías avanzadas de iones de litio o las pilas de metal-hidruro de níquel, podrían tener un costo por milla o km a lo largo de su vida (incluidos los reemplazos de batería), comparable a la del vehículo de gasolina, cuando la gasolina se venda a más de 2 dólares por galón.
Cuando se tienen en cuenta los llamados costes externos (el valor monetario de daños a la salud humana, el medio ambiente y el clima) de los combustibles fósiles en el transporte , las tecnologías WWS son aún más competitivas.
El costo de construcción general de un sistema WWS podría ser del orden de 100 billones de dólares en todo el mundo, en unos 20 años, no estando incluidos los costes de transmisión. Pero esto no es dinero repartido entre todos los gobiernos o los consumidores. Además esta inversión se reembolsa a través de la venta de electricidad y energía. Y una vez más hay que recordar que, si dependemos de las fuentes tradicionales, supondría pasar de 11,5 a 16,9 TW, lo que requeriría miles más de esas plantas, con un costo de aproximadamente 10 billones de dólares, sin mencionar las decenas de billones de dólares más en salud, medio ambiente y seguridad. El plan WWS da el mundo un sistema nuevo, limpio y eficiente de energía en lugar de un antiguo, sucio e ineficiente.

Voluntad política

Nuestros análisis sugieren firmemente que los costes de WWS serán competitivos respecto de las fuentes tradicionales. Entretanto, sin embargo, ciertas formas de energías WWS serán significativamente más costosas que la energía fósil. Alguna combinación de WWS, las subvenciones y los impuestos sobre el carbono, por lo tanto, serán necesarios durante un tiempo. Un tipo de prima a la producción Feed-inTariff (FIT) para cubrir la diferencia entre el costo de generación y el precio al por mayor de la electricidad es especialmente eficaz en la ayuda a las nuevas tecnologías renovables. Combinando las FIT con una llamada subasta de venta a precios decrecientes, en el que el derecho a vender energía al sistema se concede a los postores más bajos, proporciona un continuo incentivo para los desarrolladores de WWS a disminuir los costes. Mientras esto sucede, las FIT pueden ir reduciéndose progresivamente. Las FIT han sido implantadas en gran un número de países europeos y en algunos Estados de EE UU y han tenido bastante éxito en estimular la energía solar en Alemania.
Gravar los combustibles fósiles o su uso para reflejar sus daños ecológicos también tiene sentido. Pero, como mínimo, las subvenciones a la energía fósil, tales como el impuesto sobre beneficios para la exploración y extracción, deben ser eliminadas para igualar el partido. Una promoción equivocada de las alternativas menos deseables tales como subsidios agrícolas y la producción de biocombustibles, debe terminar porque retrasa la implantación de sistemas más limpios. Por su parte, la elaboración de políticas adecuadas por parte de los legisladores, debe encontrar maneras de resistir la presión que se producirá por parte de las actualmente establecidas industrias de la energía.
Por último, cada nación debe estar dispuesto a invertir en un sistema de transmisión sólida y de larga distancia que pueda transportar grandes cantidades de energía de la WWS de las regiones remotas donde a menudo es mayor, tales como en EEUU las Grandes Llanuras en el caso del viento y el desierto del Suroeste para la energía solar, a los centros de de consumo, por lo general en las ciudades. Reducir la demanda de los consumidores durante periodos pico también requiere una red inteligente que de a generadores y consumidores mucho más control sobre el uso de electricidad por horas.
Viento a gran escala, agua y un sistema de energía solar confiable pueden suministrar significativamente las necesidades del mundo, de lo que se beneficiará el clima, la calidad del aire, la calidad del agua, la ecología y la energía. Como hemos demostrado, los obstáculos son principalmente políticos, no técnicos. La combinación de las FIT más los incentivos para los prestadores de servicios a reducir los costes, la eliminación de subsidios a las energías fósiles y una red eléctrica inteligente suficientemente ampliada, podrían ser suficientes para garantizar una implantación rápida. Por supuesto, los cambios en el sistema de potencia y en las industrias de transporte originarán inversiones superiores a las existentes en infraestructura que serían irrecuperables.
Pero con políticas sensatas, los países podrían establecer un objetivo de generación de 25 por ciento de su nuevo suministro de energía con fuentes WWS en 10 a 15 años y casi el 100 por ciento de la nueva oferta en 20 a 30 años. Con políticas más agresivas, teóricamente podría retirarse toda la capacidad existente de combustibles fósiles y reemplazado en el mismo periodo, pero de una forma más modesta, probablemente el reemplazo completo del sistema, a uno No Fosil, puede durar entre 40 a 50 años. De cualquier manera, un liderazgo claro es necesario, o las naciones continuarán utilizando tecnologías promovidas por las industrias en lugar de las promovidas por los científicos.
Hace una década, no estaba claro que un sistema global de WWS sería técnicamente o económicamente viable. Al haber demostrado que es posible, esperamos que los líderes mundiales pueden averiguar cómo poder hacer que las WWS sean políticamente factibles. Pueden comenzar por comprometerse a conseguir objetivos de reducción de emisiones para frenar el cambio climáticoy promover las energías renovables.

www.scientificamerican.com/article.cfm

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www.stanford.edu/group/efmh/jacobson/WindWaterSun1009.pdf

www.sciencedirect.com/science

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