revoluciÓn energÉtica renovables...

Un sistema eléctrico renovablepara la España peninsular y suviabilidad económica.

100%Renovables

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0%REVOLUCIÓNENERGÉTICA

Equipo de trabajo (IIT)

Coordinación técnica y redacción informeXavier García CasalsAnálisis disponibilidad temporal del recursoXavier García CasalsAnálisis y prospectiva de costesXavier García CasalsAnálisis temporalXavier García CasalsAnálisis expansión de la generaciónPedro Linares Llamas, Xavier García CasalsRedacción informes modelo expansión de la generaciónPedro Linares LlamasAnálisis de explotación generación / redXavier García Casals, Pedro Linares Llamas, Francisco Javier Santos PérezAsesoramiento programa STARNET/RD para modelo de explotacióngeneración/redAndrés Ramos Galán

Informe elaborado por el IIT bajo contrato de Greenpeace

Coordinador del proyecto por parte de GreenpeaceJose Luis García Ortega.

Este informe ha sido producido gracias a las aportaciones económicas de lossocios de Greenpeace.

Greenpeace es una organización independiente política y económicamenteque no recibe subvenciones de empresas, ni gobiernos, ni partidos políticos.Hazte socio en www.greenpeace.es o en el 902 100 505

Impreso en papel 100% reciclado postconsumo y totalmente libre de cloro.

Octubre 2006

Renovables 100%Un sistema eléctrico renovablepara la España peninsulary su viabilidad económica

Índice

1 Introducción 12

2 Disponibilidad temporal del recurso 362.1. Eólica terrestre 362.2. Eólica marina 452.3. Olas 47

2.3.1. Tecnología 472.3.2. Recurso 53

3 Análisis y prospectiva de costes 643.1. Centrales de referencia 65

3.1.1. Ciclo combinado 663.1.2. Nuclear 70

3.2. Costes actuales y prospectiva por tecnologías 763.2.1. Eólica terrestre 773.2.2. Eólica marina 833.2.3. Fotovoltaica 873.2.4. Termosolar 1063.2.5. Geotérmica 1183.2.6. Olas 1233.2.7. Biomasa 1303.2.8. Comparativa todas tecnologías 139

4 Análisis temporal 1544.1. Introducción 154

4.1.1. Análisis de un sistema autónomo 1554.1.1.1. Introducción 1554.1.1.2. Sistema sin capacidad de almacenamiento.

Efecto del SM 1584.1.1.3. Sistema con capacidad de almacenamiento.

Efecto del almacenamiento 1694.1.2. El múltiplo solar como medida adecuada del dimensionado

del parque generador 1814.1.3. Sistema peninsular: conceptos previos 186

Índice

4.2. Análisis temporal de la generación por tecnologías 1934.2.1. Eólica marina 2004.2.2. Eólica terrestre 2044.2.3. Solar Termoeléctrica 2094.2.4. Fotovoltaica azimutal 2124.2.5. Fotovoltaica edificación 2164.2.6. Olas 2264.2.7. Hidroeléctrica 2324.2.8. Biomasa y geotérmica 234

4.3. Acoplamiento temporal generación-demanda 2354.3.1. Introducción 2354.3.2. Una primera aproximación con mix homogéneo 2374.3.3. Evaluación preliminar del mix-1 2424.3.4. Otros mix de generación 249

4.3.4.1. Cobertura demanda eléctrica 2604.3.4.2. Cobertura demanda total 267

4.3.5. Análisis paramétrico del múltiplo solar 2724.3.6. Análisis paramétrico de la capacidad de acumulación 328

5 Modelo expansión de la generación 3625.1. Datos previos 3625.2. Demanda por bloques y generación fija 3655.3. Demanda y generación por bloques 3685.4. Discusión 372

6 Análisis de red 3786.1. Introducción 3786.2. Análisis a nodo único 381

6.2.1. Proceso iterativo con formulación convencional 3846.2.2. Optimización con costes de inversión 397

6.2.2.1. Efecto de la hibridación termosolar 3976.2.2.2. Estudio paramétrico coste energía no suministrada 413

7 Conclusiones 442

8 Referencias 474

Agradecimientos 477

1. Introducción

El objeto de este estudio es cuantificar y eva-luar técnicamente la viabilidad de un escena-rio basado en energías renovables para el sis-tema de generación eléctrica peninsular.

En (IIT, 2005) se presentaron los resultadosde la primera fase del estudio, en la que seprocedió a desarrollar las condiciones decontorno necesarias para desarrollar el restodel estudio. En concreto, uno de los princi-pales resultados de la primera fase fue laobtención de los techos de potencia y gene-ración de las tecnologías renovables consi-deradas con su reparto espacial a lo largo delterritorio peninsular. En las figuras-1 y 2reproducimos estos techos de potencia ygeneración que nos servirán de referencia alo largo de este estudio.

El techo de potencia obtenido, a nivel penin-sular se cifra en 5471 GWp, lo cual constituye122 veces la demanda eléctrica punta pro-yectada para el año 2050 en el marco de esteestudio. El ratio entre la potencia instalada yla demanda punta es lo que en el marco deeste estudio vamos a denominar el múltiplosolar del sistema de generación, que portanto en la España peninsular del 2050 tieneun valor máximo de SMmax = 122.

Para obtener el techo de generación a par-tir del techo de potencia, en (IIT, 2005) sedesarrolló un análisis prospectivo de las dis-tintas tecnologías consideradas, evaluandolas actuaciones de las mismas en las 47provincias peninsulares. Este análisis noscondujo a una valoración del techo degeneración en 15798 TW.h/a, que constitu-ye más de 56 veces la demanda eléctrica

peninsular proyectada para el 2050 y másde 10 veces la demanda de energía totalpara esas fechas.

La gran cantidad de recurso existente pro-porciona las bases para plantearse la viabili-dad técnica de un sistema basado 100% enenergías renovables para cubrir la demandade energía en el año 2050. En (IIT, 2005), deforma indicativa avanzábamos dos posiblesmix para la cobertura de la demanda de

1. Introducción

Renovables 100%. Un sistema eléctrico renovable para la España peninsular y su viabilidad económica

12

Techo potencia = 5.471 GWp SM = 122

Solar termoeléctrica

Eólica terrestre

Chimenea solar

Fotovoltaica azimutal

Fotovoltaica integrada

Biomasa total

Olas

Eólica marina

Hidroeléctrica

Geotérmica HDR

0,34%0,05%

50,06%

16,73%

12,95%

9,04%

5,93%

1,54%0,36%

3,01%

Figura 1 Techo de potencia con tecnologíasrenovables en la España peninsular

energía eléctrica y de la demanda de energíatotal, asumiendo unos ciertos valores de losrendimientos de regulación-transporte, queeran del 56% para el caso del sistema deenergía eléctrica y del 80% para el caso delsistema de energía total. En las Figuras-3 y 4reproducimos estos mix preliminares comoreferencia, que de ahora en adelante deno-minaremos Mix-1 y Mix-1b. [Ver Figuras 3 y 4].

Tomando como base el Mix-1 para cobertu-ra de la demanda eléctrica, ese rendimientode regulación-transporte que cifrábamos

cualitativamente y de forma preliminar enun 56%, sería el objeto de estudio detalladoen esta segunda parte del trabajo. El análi-sis del acoplamiento espacio-temporalentre capacidad de generación y demandaserá el que nos permitirá cuantificar el valorde ese rendimiento.

Previamente deberemos proceder a profundi-zar en algunos aspectos que por falta dedatos no pudimos completar en la primeraparte de este estudio. Este es el caso de ladisponibilidad temporal de recurso energéticopara algunas tecnologías como la eólicaterrestre, eólica marina y olas. Otro aspectoen el que profundizaremos es en la caracteri-zación de la tecnología de las olas para mati-zar el potencial que de forma preliminar eva-luamos en (IIT, 2005) y para evaluar su serietemporal de generación potencial.

A lo largo de este estudio vamos a plantear dis-tintos cambios de paradigma a los que es pre-ciso enfrentarse para romper algunas de lasbarreras que actualmente nos impiden evolu-cionar hacia un sistema energético sostenible.Cambios de paradigma que afectan tanto alpapel de las tecnologías renovables en el siste-ma de generación energética, como al papelque juegan los otros elementos de estos siste-mas, así como la forma de operarlos.

El primero de estos cambios de paradigmaconstituye en pasar de ver las tecnologíasrenovables como apéndices del sistema degeneración energética operados en modo demáxima potencia a pasar a considerarlascomo elementos principales del sistemaenergético operados en modo de regulación.

En efecto, en la actualidad las tecnologíasrenovables constituyen una parte pequeña

Introducción

13

0,2%0,1%

62,6%14,5%

8,7%

5,3%

3,6%2,1%

1,9%0,9%

Techo generación = 15.798 TW.h/a


Eólica terrestre



Chimenea solar

Biomasa total

Olas

Eólica marina

Hidroeléctrica

Geotérmica HDR

56,4 veces la demanda eléctrica del 2050 10,4 veces la demanda total del 2050

Figura 2 Techo de generación con tecnologíasrenovables en la España peninsular

del sistema de generación que prácticamen-te no afectan a la operación del mismo, porlo que se operan en gran medida indepen-dientemente del sistema energético y conun claro objetivo: la máxima producciónenergética para la potencia instalada. Tal esasí que varias de estas tecnologías imple-mentan como parte constituyente de lasmismas un seguidor del punto de máximapotencia (MPPT: maximum power point trac-king). En este modo de operación es eviden-te que si crece la contribución renovable alsistema de generación nos encontraremoscon limitaciones a la operación del sistema.Un ejemplo claro lo constituye la energíaeólica interconectada a la red eléctrica, queen la actualidad ya está llegando a los límitesde interacción con el sistema eléctrico en

este modo de operación. Sin embargo, estono debe hacernos concluir (como es la ten-dencia primaria) que las renovables no pue-den contribuir más al sistema de genera-ción: simplemente debe cambiarse el modoen el que se operan.

El modo de operación actual de las tecnologí-as renovables (modo MPPT) es una conse-cuencia directa de su estado de desarrollotecnológico y económico. Actualmente loscostes de inversión en estas tecnologías sonrelativamente elevados, por lo que la únicaforma de viabilizar económicamente estasinversiones (incluso con las ayudas disponi-bles) es haciéndolas producir el máximo deenergía (modo MPPT). Sin embargo, esto noquiere decir que estas tecnologías no puedan


14 Figura 3 Propuesta preliminar de mix energético para la cobertura de la demanda eléctricapeninsular a 2050 (280 TW.h/a). Aparece indicado el reparto de potencia instalada así como lacapacidad de generación de cada una de las tecnologías. Mix-1.

39%

13%10%

8%

7%

6%

6%

6%

3% 2%

Potencia instalada = 180 GW Capacidad generación = 500 TW.h/a


Eólica terrestre Biomasa total

OlasEólica marina



Hidroeléctrica

Chimenea solar

Geotérmica HDR

1%

15%

14%

10%

9%

8%

5%4%

4%

30%

operarse en otro modo mucho más adecuadopara favorecer una penetración muy superiorde las mismas en el sistema energético. Elmotivo por el cual en la actualidad las tecnolo-gías renovables se operan en modo MPPT noes fundamental, sino casual: a medida quelos costes de estas tecnologías se vayanreduciendo en base al incremento en su volu-men de implementación, la regulación conellas (que siempre lleva asociado un incre-mento del coste de la unidad de energía pro-ducida) va haciéndose menos gravosa.

De hecho, la gran mayoría de tecnologíasrenovables son mucho más adecuadasque el resto de tecnologías energéticas

convencionales para operar en modo regula-ción, permitiendo una rápida y efectiva regu-lación del acoplamiento generación-deman-da (restricciones rampa despreciables). Enefecto, los tiempos de respuesta y capaci-dad de cambio controlado de la potenciaentregada por la mayoría de tecnologíasrenovables es muchísimo más favorable quelos asociados a las centrales termoeléctricasy nucleares actuales: un parque eólico o unacentral fotovoltaica permiten modificar deforma controlada y prácticamente instantá-nea la potencia entregada por debajo de lamáxima capacidad de generación en unmomento dado, en virtud a sus inerciasprácticamente nulas en comparación a las

Introducción

15Figura 4 Propuesta preliminar de mix energético para la cobertura de la demanda energética totalpeninsular a 2050 (1525 TW.h/a). Aparece indicado el reparto de potencia instalada así como lacapacidad de generación de cada una de las tecnologías. Mix-1b.

2,0%1,8% 0,9%

65,5%

12,0%

7,3%

3,9%

3,1% 3,0%0,5%

1,7%

0,2%

55,0%

14,6%

11,3%

7,9%

3,0%

2,7%2,6% 1,0%

Potencia instalada = 627 GW Capacidad generación = 1.900 TW.h/a


Eólica terrestre Eólica marina Hidroeléctrica

Olas



Biomasa total

Chimenea solarGeotérmica HDR

de las centrales termoeléctricas y nuclearesconvencionales. En este sentido, la sustitu-ción del seguidor de máxima potencia(MPPT) en la lógica de operación de estasinstalaciones por un seguidor de la carga,junto a una gran implementación de estastecnologías, proporcionaría una capacidad deregulación potencia activa-frecuencia muysuperior a la actualmente concebible, queademás, en contraposición a la capacidad deregulación actual, estaría completamentedistribuida por la red, favoreciendo tambiénla regulación potencia reactiva-tensión.

El propio esquema de regulación actual conuna estructura fuertemente jerárquica,constituido por una regulación primaria engrandes centrales, una regulación secundariapor áreas y una regulación terciaria centraliza-da de todo el sistema, debería revisarse a laluz de las nuevas posibilidades de regulaciónque ofrecería un sistema basado al 100% enun mix suficientemente diverso de tecnolo-gías renovables. Debe tenerse en cuenta queun mix de generación de este estilo, ademásde contar con tecnologías tremendamentedistribuidas con capacidad de regulación depotencia activa y reactiva (frecuencia y ten-sión) y sin restricciones por rampa alguna(capacidad muy elevada de seguir la carga),como veremos a lo largo de este estudio debeconstituirse con múltiplos solares (ratio depotencia instalada a pico de demanda) consi-derablemente superiores a los sistemas degeneración eléctrica actuales, contando conuna cantidad de potencia rodante efectivamuy superior a la actual sin costes adicionalessignificativos y con capacidad de generaciónde potencia activa y reactiva. En efecto, lascentrales termosolares constituyen una parteimportante de estos mix 100% renovables, ypermanecen sin operar sus bloques de poten-

cia en base al aporte solar del orden del 50%del tiempo (CF < 50%), en el que en cambiopermanecen con el bloque de potencia ope-rando a carga parcial o caliente esperando elinicio de la operación solar. En estas condicio-nes, y dada la gran facilidad de hibridación deestas centrales para operar su bloque depotencia con biomasa, los generadores sín-cronos de todas esas centrales se constituyenen una tremenda capacidad de reserva depotencia activa y reactiva distribuida por todoel territorio peninsular y disponible para contri-buir a la regulación de frecuencia y tensión.

La distribución de la capacidad de regulaciónde frecuencia y tensión en todo el territoriopeninsular tiene implicaciones que requeri-rían un análisis más detallado. En términos dela regulación de frecuencia, el carácter globalde esta variable y la gran rigidez del sistemaeléctrico europeo actual hacen pensar que enprincipio habría poco beneficio asociado a ladistribución de la capacidad de regulación.Pero debe tenerse en cuenta que en un siste-ma con elevada contribución renovable, lavariación de la capacidad de generación dis-ponible puede llegar a ser más rápida que lade la demanda, por lo que la velocidad de res-puesta de los sistemas de regulación puedeexigir tiempos menores que los del sistemaactual, beneficiándose por tanto de la ampliadisponibilidad de centrales sin limitación derampa. Sin embargo, para la regulación detensión, el carácter local de esta variable síque permite anticipar ventajas de la distribu-ción de la capacidad de regulación. Pero nodebe perderse de vista que la transición haciaun modelo energético sostenible no deberíaproducirse en la España peninsular de formaaislada sino que debería ir en paralelo con lareconversión del sistema de generación euro-peo y probablemente con la interconexión de


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la red eléctrica Europea con el norte de África.Si a esto le añadimos la posibilidad de que laintegración del sistema energético pudieraconducir a una participación muy superior dela electricidad en la cobertura de la demandade energía total (pasando la demanda penin-sular de 280 TW.h/a a 1525 TW.h/a), con unagran capacidad de acumulación distribuida yun potencial de la participación de la gestiónde la demanda tremendamente superior alactual, parece evidente que sería necesarioreplantear los esquemas de regulación ade-cuados a esta nueva situación. En este con-texto, la mayor elasticidad proporcionada poruna capacidad de regulación distribuida delparque generador puede resultar ventajosa.

La integración del sistema energético es otrode los elementos que surgirá con fuerza apartir de los resultados de este estudio. Yaavanzábamos en (IIT, 2005) algunos aspectosque de forma cualitativa plasmábamos en ladiferencia de rendimientos de regulaciónasumidos para los Mix-1 y Mix-1b. En el casode un mix renovable destinado a cubrir sólola demanda eléctrica asumíamos un rendi-miento del 56% mientras que para el caso deun sistema destinado a cubrir la demanda deenergía total asumíamos un valor del 80%,reflejo de la mayor facilidad de regulaciónanticipada para este segundo caso. Aunquelos valores concretos de estos rendimientosdependerán tanto de los mix energéticosconsiderados como de los vectores energéti-cos empleados, lo que sí quedará claro a lolargo de este trabajo es que la regulación deun mix renovable para cubrir sólo la deman-da eléctrica conduce a la necesidad de disi-par una gran parte de la capacidad de gene-ración, lo cual lleva asociado unas fuertesrepercusiones económicas. Esa energíadisipada podría valorizarse integrando en el

mismo sistema energético la cobertura deotras demandas energéticas.

Esto nos conduce a otros dos posibles cam-bios de paradigma: el papel a desempeñarpor la electricidad y la gestión de la demandaen el sistema energético.

Así, por ejemplo, en el contexto del sistemade generación energética actual, emplearelectricidad para cubrir la demanda de ener-gía térmica de baja temperatura (agua calien-te sanitaria, calefacción) no es adecuado porel gran despilfarro exergético que lleva aso-ciado: la calidad de la energía eléctrica esexcesiva para cubrir ese tipo de demanda yal emplearla la degradamos de forma irrever-sible. Pero ante un escenario de elevadapenetración renovable en la cobertura de lademanda eléctrica, y en zonas donde estébien desarrollada la red eléctrica, una de lasmejores opciones para cubrir la demanda deenergía térmica de baja temperatura pasa aser precisamente el uso de electricidad. Enefecto, la regulación de un sistema de gene-ración eléctrica basado en renovables con-duce como ya hemos comentado a la nece-sidad de disipar una gran cantidad decapacidad de generación. En ausencia deotros usos para esa capacidad de genera-ción excedentaria la disipación es completae irreversible: esa electricidad ya no sepuede generar en el futuro. Esta disipaciónde la capacidad de generación conduceentre otras cosas a una gran reducción delfactor de capacidad con el que se usan esastecnologías renovables y al consecuenteincremento del coste de la energía produci-da por las mismas. Por tanto, si empleamosesa electricidad residual para cubrir lademanda de energía térmica de baja tempe-ratura, valorizamos ese recurso energético y

Introducción

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conseguimos reducir el coste del sistemaenergético global al sustituir completamentey sin coste incremental significativo a otrasfuentes energéticas y equipos de genera-ción asociados a la cobertura de la demandatérmica de baja temperatura. De hecho,podríamos decir que al usar esta electricidadresidual para cubrir la demanda térmica debaja temperatura estaríamos ante un nuevoconcepto de cogeneración termodinámica-mente opuesto al actualmente acuñado.

Es más, el uso de esta electricidad residualpara cobertura de la demanda térmica debaja temperatura proporcionaría una grancapacidad de acumulación distribuida (iner-cia de edificios, depósitos de acumulaciónde ACS y calefacción,…), característica muybeneficiosa para la regulación de un sistemaenergético basado en energías renovables.Y aquí empezaría a entrar en danza el impor-tante papel que la gestión de la demandapodría desempeñar en este tipo de sistemaenergético, con unas atribuciones y modode operar radicalmente distintos a los que seplantearían en un sistema de gestión de lademanda actual. Sin ir más lejos, en lugar dedesplazar el consumo hacia las horas noctur-nas, una gestión de la demanda en un siste-ma con elevada penetración renovable pro-bablemente debiera desplazar el consumohacia las horas centrales del día en las quelas centrales solares, con un importantepeso en el mix de generación renovable, tie-nen su pico de producción.

En este marco de integración del sistemaenergético se nos abren posibilidades quequizás no podamos dejar escapar dereconducirnos hacia la sostenibilidad. Enefecto, el sistema de generación eléctrica,por su madurez profesional y tecnológica,

es probablemente el único sector energéti-co con capacidad de reconducirse hacia lasostenibilidad en el corto plazo de tiempodisponible para realizar ese cambio. Sinembargo, en la estructura energéticaactual, el sector eléctrico tiene un pesorelativo mucho menos importante que elde otros sectores dominantes como la edi-ficación y el transporte. Estos otros secto-res, y muy especialmente el de la edifica-ción, presentan unas inercias y niveles deinmadurez que hacen realmente muy difícilel conseguir reconducirlos hacia la sosteni-bilidad en el corto plazo de tiempo disponi-ble. Por tanto, en la situación actual en laque estos sectores energéticos dominan-tes tienen poca relación con el sector eléc-trico, de poco nos serviría el reconducir elsector eléctrico hacia la sostenibilidad por-que seguiríamos enclavados en un entornoque desde un punto de vista energéticosería básicamente insostenible.

En este contexto, el cubrir gran parte de lademanda energética de los sectores edifica-ción y transporte con electricidad podríaabrir una puerta para conseguir reconducir-los hacia la sostenibilidad en el plazo detiempo disponible. Esta puerta puede no serla única, y desde luego, en el proceso detransición debería apoyarse en otras opcio-nes renovables no eléctricas para cubrir lademanda de estos sectores, pero permiteesbozar alguna opción de encaminarnoshacia la sostenibilidad.

En relación al sector edificación ya hemoscomentado antes cómo con la electricidad“residual” procedente de la regulación deun sistema eléctrico basado en renovablespodría cubrirse parte de la demanda de cale-facción y ACS, a lo que podríamos añadir la


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demanda de refrigeración, con muy buenacoplamiento estacional y diario con el exce-dente de capacidad de generación, y quetambién permite una muy conveniente acu-mulación inercial en los edificios para regularla generación. Incrementando la potenciainstalada en el sistema de generación eléc-trica renovable y apoyándonos en la capaci-dad de almacenamiento distribuido disponi-ble del sector edificación, podríamosplantear la cobertura del 100% de la deman-da de los sectores edificación + eléctricocon renovables, y todo ello con factores decapacidad de las tecnologías empleadasmuy superiores a los que conseguiríamos siesas tecnologías de generación se dedica-ran sólo a la cobertura de la demanda eléctri-ca, y por tanto con costes unitarios de laenergía inferiores a los que resultarían dededicar esas tecnologías renovables exclusi-vamente a la cobertura eléctrica.

En cuanto al sector transporte tampococuesta demasiado imaginarse un esquemaparecido al planteado para el sector edifica-ción con un buen acoplamiento entre lademanda energética para transporte y lacapacidad de generación eléctrica de un sis-tema basado en renovables. Imaginemos porejemplo el uso de vehículos eléctricos paracircular por las ciudades, con conexioneseléctricas en los aparcamientos que permi-tieran una recarga de los mismos atendiendoal exceso de capacidad de generación en lared eléctrica. Estos vehículos, que pasan lamayor parte de su tiempo estacionados, seconstituirían por tanto en una grandísimacapacidad de acumulación y de gestión de lademanda que permitirían cubrir gran partede la demanda energética de este sectorvalorizando la electricidad “residual” del sis-tema de generación eléctrica renovable. Es

más, el rendimiento energético de esteesquema para el sector transporte, quepodría rondar un 70%, es considerablemen-te superior al de otros esquemas, como losbasados en el vector hidrógeno generado apartir de electricidad renovable, que podríanrondar el 25%, permitiendo reducir la canti-dad de potencia instalada para cubrir lademanda energética. Sin embargo, la solu-ción completa al problema del sector trans-porte probablemente requiera de una mayordiversidad tecnológica, completando losvehículos eléctricos para transporte urbanocon biocombustible para transporte interur-bano, y probablemente haya nicho tecnoló-gico para la tecnología de hidrógeno, tantoen el sector transporte como para cubrirotras demandas energéticas.

En este trabajo no vamos a entrar a fondo enel análisis y valoración de un sistema inte-grado de energía total que escapa totalmen-te del alcance planificado. Nos limitaremossimplemente a resaltar las señales deduci-das de los resultados de nuestro análisis delsector eléctrico para apuntar el posible cam-bio de paradigma en el sistema energéticototal. Avanzar en la definición de una pro-puesta para ese sistema energético totalrequeriría un estudio dedicado a analizar condetalle las distintas opciones disponibles,los procesos de transición más adecuados, yel papel a jugar y modificaciones que serequerirían de las infraestructuras energéti-cas actuales, como la propia red eléctrica,que ante un cambio de función tan radicalcomo éste, debería ser completamentereplanteada analizando la viabilidad económi-ca, social y ambiental de ese cambio, y apo-yándose en nuevas tecnologías como eltransporte a muy alta tensión en corrientecontinua y el uso de superconductores.

Introducción

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Otro de los aspectos tratados extensamenteen este estudio es el de los costes de un sis-tema de generación basado en energíasrenovables. El argumento de los costes, amenudo usado de forma poco rigurosa yconsecuente, es de los primeros en agitarseenérgicamente en un terreno de arenasmovedizas para espantar la posibilidad deconsiderar las tecnologías renovables comouna opción real para sustentar nuestro siste-ma energético. Sin embargo, a menudo losargumentos de costes empleados no sonadecuados ni correctos para comparar dis-tintas opciones tecnológicas en el marco delproblema considerado, esto es, la configura-ción de todo el sistema energético. En efec-to, a menudo los argumentos de costescomparan los costes de las tecnologías en elmomento actual, que resulta ser completa-mente dispar para las tecnologías ya esta-blecidas y para las tecnologías renovables, yque a menudo no refleja todos los costesque tendrán que estar internalizados en unmarco sostenible.

Las tecnologías “convencionales”, en su pro-ceso de implementación a gran escala paraconvertirse en “convencionales” han recorri-do toda su curva de aprendizaje industrial,situándose en una posición asintótica de loscostes con el volumen de producción. Porcontra, la mayoría de tecnologías renovablesestán en los inicios de su curva de aprendi-zaje industrial, con unos volúmenes de pro-ducción tremendamente inferiores a los quealcanzarían si decidiéramos apoyar nuestrosistema energético en ellas, y con unas difi-cultades considerablemente superiores a lasque tuvieron las tecnologías “convenciona-les” para avanzar por la curva de aprendizajeprecisamente porque el mercado está copa-do por esas tecnologías convencionales.

El volumen de producción asociado a cual-quier tecnología que vaya a constituir unaparte relevante del mix energético del futuroserá suficientemente grande como paragarantizar que la tecnología ha recorrido sucurva de aprendizaje industrial. La evoluciónde la tecnología eólica en los últimos 30años, incluso sin haber llegado a alcanzar losvolúmenes de mercado que tendría en unsistema energético 100% renovable, es unclaro ejemplo. Por tanto, la comparación decostes relevante en base a proporcionarargumentos para decidir el mix energéticodel futuro es la realizada con todas las tecno-logías situadas en la región asintótica de sucurva de aprendizaje. Cualquier otra compa-ración de costes no equitativa en términosde la posición de las tecnologías en la curvade aprendizaje resulta engañosa por condu-cir a conclusiones erróneas sobre los costesde los distintos mix de generación bajo con-sideración. En este sentido, hemos procedi-do a realizar una revisión bibliográfica de pro-yecciones de costes de las distintastecnologías en la que basar el desarrollo deuna serie de curvas de aprendizaje con elmáximo de coherencia relativa, que nos per-mitan una comparación lo más equitativaposible entre las distintas tecnologías.

En este informe presentamos una extensainformación de costes de las distintas tecno-logías renovables, tanto en el momentoactual como al final de sus curvas de aprendi-zaje, incorporando información detallada desu estructura de costes, de la evolución delos mismos con el volumen de producción, yde las actuaciones energéticas en los distin-tos emplazamientos peninsulares, y repre-sentada en forma de mapas que permitanuna rápida localización de la distribución de lacalidad de los distintos emplazamientos


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peninsulares a nivel provincial. El parámetrode costes básico que hemos empleado es elcoste normalizado de la electricidad a lo largodel ciclo de vida de la instalación, que agrupaen un único parámetro el efecto de los cos-tes de inversión y de los de operación y man-tenimiento, y que siguiendo la nomenclaturaanglosajona designaremos por LEC (Leveli-zed Electricity Costs) y expresaremos enc€/kWhe. También presentaremos informa-ción desglosada de costes de inversión y deoperación y mantenimiento (O&M).

De cara a la evaluación de los costes de laelectricidad se ha realizado una evaluaciónmuy detallada de las actuaciones energéti-cas de las distintas tecnologías, basada ensimulaciones horarias extendidas a un añotipo y en modelos detallados de los siste-mas de energías renovables. Las principalesherramientas empleadas para el modeladoenergético de los sistemas energéticos sonTRNSYS y MATLAB.

Estos mapas de costes de las distintas tec-nologías, por haberse desarrollado de formacoherente para todas las tecnologías y porcomparar la situación actual con la situaciónal final de la curva de aprendizaje, aportanuna información muy relevante y resultanilustrativos para documentar el debate decostes: son muchas las tecnologías que alfinal de su curva de aprendizaje tendráncapacidad de proporcionar electricidad a uncoste comparable o inferior a las opciones“convencionales”.

Sin embargo, estos resultados de costes portecnologías, incluyendo los de las tecnologías“convencionales”, a pesar de su relevancia alpresentarse de forma unificada para todas lastecnologías, constituyen sólo una parte de la

realidad de los costes asociados a un sistemade generación con elevada contribución reno-vable. En efecto, las actuaciones energéticasen las que están basados estos mapas sonlas del modo de operación actual, esto es, elde seguimiento del punto de máxima poten-cia (modo-MPPT). Como ya hemos comen-tado anteriormente, una de las característicasde un sistema de generación eléctrica basadoen tecnologías renovables es la necesidadde pasar a operar las distintas tecnologíasen modo de regulación. Esto trae la conse-cuencia directa de que su factor de capaci-dad (CF) se reduce respecto al que tendríanen modo-MPPT, y consecuentemente, elcoste de la electricidad producida aumenta deforma inversamente proporcional a la reduc-ción del CF. Pero esto sucede con todas lastecnologías, sean o no renovables. Si se plan-teara la conveniencia de que el mix de gene-ración futuro basado en renovables contaracon una cierta participación de tecnologías“convencionales”, el papel de estas centra-les sería radicalmente distinto al que desem-peñan en el sistema de generación actual, portener que dedicarse a la regulación (asumien-do que tuvieran capacidad técnica) de la capa-cidad de generación renovable, con lo cualsus factores de capacidad serían muy inferio-res a aquellos con los que se operan en laactualidad, y el coste de la electricidad conellas producida sería superior. Estos aspectostambién los analizaremos con cierto detalleen el capítulo de costes.

Por todo lo anterior, no basta con conocer loscostes de cada una de las tecnologías porseparado para tener definido el coste del sis-tema de generación, que además variará sus-tancialmente al modificar el mix energéticocon el que se hace frente a la demanda asícomo al modificar la estrategia de operación

Introducción

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del sistema. Para avanzar un poco más enesta dirección, hemos procedido a analizarla operación de más de 50 mix de genera-ción basados en distintas combinaciones deenergías renovables, con distintas estrate-gias de operación y criterios de dimensiona-do, evaluando sus actuaciones energéticasy los costes de la electricidad producida, ymostrando que hay un margen considerablepara optimizar los costes con un sistema deestas características.

Con toda esta información de costes espera-mos haber contribuido a documentar la eter-na pregunta de: ¿costará más un sistema degeneración basado en renovables y nos con-ducirá a un incremento de la tarifa eléctrica?Sin duda los resultados presentados cree-mos que pueden conducir a reformularse lasposibilidades de estas tecnologías, al consta-tar que en el horizonte asintótico de desarro-llo de las tecnologías renovables, inclusoteniendo en cuenta el cambio de modo deoperación del modo-MPPT al modo-Regula-ción, el coste de la electricidad producida noresulta ni mucho menos disparatado al com-pararlo incluso con los patrones actuales.

Sin embargo, con independencia de todala abundancia de información técnica pro-porcionada al respecto en el marco deeste estudio, nos gustaría dar una primerarespuesta a la eterna pregunta de costes:¡¡¡ SÍ!!!, y especialmente en el proceso detransición hacia la condición de madurezindustrial. En los primeros estadios de lareconversión de nuestro sistema energéticohacia la sostenibilidad estaremos utilizandotecnologías caras por estar al inicio de suscurvas de aprendizaje y con factores decapacidad bajos por pasar al modo-Regula-ción de operación. Pero esta evidencia (no

hacía falta hacer este estudio para dar estarespuesta) hay que enmarcarla dentro delcontexto actual: la referencia de costes,esto es el sistema energético actual, esinsostenible y no internaliza todos sus cos-tes. La progresiva internalización de costesdel sistema energético actual nos conduciráa un incremento de los costes de genera-ción que ya se han empezado a dejar sentircon motivo del recientemente inauguradocomercio de emisiones de CO2. Es más, elhecho de que el sistema actual esté basadoen unas fuentes energéticas que se estánagotando, también conducirá a otro progre-sivo incremento de los costes de la energíaque también se están empezando a dejarsentir de una forma contundente en loscasos del petróleo y el gas durante los últi-mos años. Si además partimos de una tarifaeléctrica que no refleja los costes reales degeneración, resulta evidente que aunque norealicemos transición alguna hacia la soste-nibilidad ambiental en nuestro sistema degeneración, la tarifa eléctrica tendrá que irincrementándose. Es más, si la única opciónde reconvertir el sistema energético hacia lasostenibilidad reside en basarlo en las ener-gías renovables, entonces, el sobre-costedel sistema 100% renovable respecto al sis-tema “convencional” probablemente consti-tuya la mejor valoración de los costes exter-nos del sistema “convencional” al permitiruna internalización total de su impacto.

Otro de los aspectos en los que hemos pro-fundizado en el marco de este estudio es enel análisis temporal de la capacidad de gene-ración renovable y de su acoplamiento tempo-ral con la demanda. Este es sin duda el aspec-to principal a la hora de analizar la viabilidadtécnica de un sistema basado al 100% enenergías renovables para cubrir la demanda


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eléctrica de un país, y de cara a profundizar enél hemos desarrollado diversos análisis.

Como introducción, para asentar conceptosy ubicar correctamente los resultados poste-riormente presentados para el sistemapeninsular, hemos procedido a analizar bajola misma óptica posteriormente empleadapara el sistema peninsular un sistema autó-nomo para cobertura de la demanda eléctricade una vivienda unifamiliar, basado en tecno-logía fotovoltaica, eólica o ambas. Este senci-llo ejemplo nos permite introducir de formamuy clara los conceptos básicos para la pos-terior discusión y comprensión de las carac-terísticas asociadas a un sistema de genera-ción peninsular basado en tecnologíasrenovables, y lo que quizás es todavía másimportante, nos proporciona las bases paraapreciar la situación tremendamente másfavorable en el sistema peninsular que enuna vivienda autónoma. En efecto: es técni-camente mucho más sencillo y económica-mente mucho menos costoso el cubrir lademanda eléctrica con tecnologías renova-bles a nivel de la España peninsular que anivel de una vivienda unifamiliar autónoma.Teniendo en cuenta que cualquier instaladortiene pocos problemas en plantearse la eje-cución de la instalación de energías renova-bles en la vivienda autónoma, la constataciónde este resultado probablemente abra la pre-disposición de la mente a plantearnos seria-mente el evolucionar hacia un sistema degeneración eléctrica peninsular basado entecnologías renovables.

Posteriormente hemos procedido a profun-dizar tecnología a tecnología en el análisis desu capacidad de generación temporal paraentender mejor los resultados del análisistemporal de acoplamiento con la demanda.

A continuación hemos desarrollado undetallado análisis temporal del acoplamien-to de la capacidad de generación con lademanda eléctrica, a lo largo del cualhemos valorado las actuaciones técnicas yeconómicas de más de 40 mix de genera-ción basados en tecnologías renovables,para valorar su viabilidad, y para entenderclaramente cuáles son las característicasprincipales más relevantes para la explota-ción de un sistema de estas característi-cas, así como sus limitaciones técnicas.Hemos incluido estudios paramétricosrelativos a las variables principales de defi-nición de un mix de estas característicascomo son el múltiplo solar y la capacidadde almacenamiento.

El resultado de este análisis temporal hasido muy favorable: es bastante más senci-llo y económicamente menos costoso de loque habíamos pensado en un principio elconseguir cubrir la demanda con un mix100% renovable. Los múltiplos solares nece-sarios son incluso inferiores a los que había-mos anticipado en la primera parte de esteestudio (mix-1) y los rendimientos de regula-ción mayores de los que habíamos estimadode forma preliminar. La potencia hidroeléctri-ca y capacidad de bombeo hidroeléctricoactualmente disponibles prácticamente sonsuficientes para conseguir cuadrar el aco-plamiento entre capacidad de generación ydemanda a lo largo del tiempo, y el usonecesario de la biomasa para regular el sis-tema es sorprendentemente bajo, lo cual esuna buena noticia teniendo en cuenta lorelativamente limitado del recurso de bio-masa en nuestro país y la gran variedad deaplicaciones energéticas que pueden apo-yarse en él para encaminarse a la sostenibi-lidad (transporte, edificación,…).

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Debemos resaltar que estos resultados sehan obtenido sin explotar totalmente lascapacidades de regulación de los mix ener-géticos 100% renovables, y que son portanto bastante conservadores. Uno de losaspectos más importantes que no hemosincorporado es la capacidad de regulacióndiaria que con sus 15 horas de almacena-miento térmico proporcionan las centralestermosolares incorporadas en los mix ener-géticos considerados. En efecto, en lassimulaciones realizadas estas centrales sehan operado a lo largo del año siguiendo unalógica de operación preestablecida, sin echarmano de su capacidad de regulación del aco-plamiento generación-demanda en virtud desu capacidad de almacenamiento térmico.Esto ha sido así básicamente por limitacio-nes de los modelos empleados. Pero resultainteresante ubicar la magnitud del potencialde regulación que proporciona esta capaci-dad de almacenamiento diario. Pongamoscomo caso el mix-27, con un múltiplo solarde SM = 3 (Ptot = 135 GWp) y una contribu-ción termosolar de P = 48 GW. Estas centra-les termosolares con sus 15 horas de capaci-dad de almacenamiento nos proporcionanuna capacidad de regulación diaria en condi-ciones de diseño de 0,72 TW.h/d, ¡delmismo orden que toda la demanda eléctricapeninsular media diaria (280 / 365 = 0,77TW.h/d)! Resulta evidente que con estacapacidad de regulación diaria y con unapotencia de 48 GW, que además puede serhibridada con biomasa, estas centrales pre-sentan un enorme potencial de regular elacoplamiento generación-demanda.

De este análisis temporal se desprendentambién algunas características fundamen-tales de estos sistemas 100% renovablesque es necesario tener presente para su

correcto desarrollo. Una de ellas es la dife-renciación entre dos aspectos de regulaciónnecesarios: el energético y el de potencias.En efecto, a nivel energético los requeri-mientos de regulación de estos mix 100%renovables son sorprendentemente bajos,lo cual, en términos energéticos, permitiríaque se pudieran cubrir prácticamente sólocon una correcta gestión de la capacidadhidroeléctrica instalada y del bombeo hidroe-léctrico (sin necesidad de desarrollar estemucho más allí de su situación actual). Sinembargo, a nivel de potencia las exigenciasde regulación son considerablemente supe-riores y requieren de una planificación ade-cuada del mix de generación. En efecto, eldesfase energético en base anual entrecapacidad de generación y demanda es muypequeño, pero incorpora algunos instantesmuy cortos de tiempo con un gran desfasede potencias. Esto requiere de la disponibili-dad en el sistema de generación de unapotencia rodante considerablemente supe-rior a la implementada en el sistema actualpara hacer frente a posibles contingencias.Esto, que a priori podría parecer problemáti-co no lo es realmente si se configura el sis-tema energético de forma adecuada echan-do mano de las características diferencialesde todas sus tecnologías.

En muchos casos, este déficit de potencia sepuede cubrir total o parcialmente con lascentrales hidroeléctricas de embalse. Enefecto, el consumo energético es desprecia-ble por la corta duración de estas puntas, porlo que la disponibilidad de agua embalsadaen pocas ocasiones será un problema. Cuan-do la potencia excede a la de las centraleshidroeléctricas, y para añadir mayor seguri-dad al sistema de generación, es precisorecurrir a una reserva de potencia rodante

que puede rondar los 20 GW. Esta elevadapotencia rodante sería un problema y unimportante sobre-coste si hubiera que imple-mentarla ex profeso. Sin embargo, esto noes necesario si el mix de generación incorpo-ra suficiente cantidad de potencia termoso-lar, lo cual es también recomendable desdeel punto de vista de costes. En efecto, unacentral termosolar como las planteadas paraeste estudio, con 15 horas de acumulacióntérmica y factores de capacidad del orden del50% están operativas un gran número dehoras al año, aunque generando por debajode su potencia nominal. Y a menudo, cuandono están generando, el bloque de potenciase encuentra caliente y listo para empezar aoperar cuando aparezca el recurso solar, sinque llegue a enfriarse completamente en elciclo diario de operación. Si a esto le añadi-mos la enorme facilidad de hibridación deestas centrales para que su bloque de poten-cia pueda trabajar con otro aporte térmicodistinto, como por ejemplo el procedente dela combustión de la biomasa, nos encontra-mos ante una enorme disponibilidad depotencia rodante implementada en el siste-ma de generación prácticamente sin uncoste adicional. Dado que las implicacionesenergéticas asociadas a la cobertura deestas puntas de potencia son muy poco rele-vantes, no representa ningún problema elemplear biomasa para su cobertura. Perodesde un punto de vista económico resultamucho más viable prever la posibilidad deoperación híbrida de los bloques de las cen-trales termosolares que implementar unagran potencia de centrales de biomasa quevayan a funcionar con factores de capacidadpor debajo del 10% y que se tengan quemantener en disponibilidad de potenciarodante con un considerable coste a lo largode todo el año.

Es importante recordar aquí, que tal y comoestablecimos en la primera fase (IIT, 2005),no hemos asumido ninguna gestión de lademanda para el desarrollo de nuestro estu-dio, a fin de colocarnos en la situación másdesfavorable. Así, la curva de demanda eléc-trica cronológica que estamos usando es lacorrespondiente al año 2003 incrementadade forma proporcional durante todas lashoras del año para conducirnos a la deman-da total de 280 TW.h/a asumida para el año2050. Es evidente que sólo con una gestiónde la demanda adecuada a este sistema degeneración se eliminarían totalmente estosrequerimientos de potencia rodante.

Es decir, los resultados de este estudio indi-can la viabilidad de gestionar correctamenteun sistema de generación 100% renovableincluso manteniendo un escenario BAU(Business As Usual) en el lado de la deman-da. El gran potencial de generación renova-ble y la gran uniformidad de su reparto espa-cial en la España peninsular permite inclusoesta aproximación basada exclusivamenteen el lado de la oferta, lo cual trae como con-secuencia la obligación de iniciar ya la transi-ción del sistema de generación hacia la sos-tenibilidad. Pero es evidente que unplanteamiento basado exclusivamente en laoferta resulta mucho más ineficiente que unplanteamiento más global que abarque tantooferta como demanda y las integre de formainteligente. Esta afirmación, que podríamosconsiderar de validez general, cobra unaespecial relevancia al plantearse la reconver-sión del sistema energético actual hacia lasostenibilidad con los recursos disponibles.La operación de un sistema de generación100% renovable sin una participación activade la demanda conlleva unos grandes incre-mentos de la inversión necesaria, tal y como

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quedará claramente puesto de manifiesto ala luz de los resultados de este estudio en elque se cuantifican en términos económicoslas consecuencias de tener que regular lageneración renovable para adaptarse a unademanda “ciega” a las características delsistema. En efecto, estos sistemas de gene-ración se caracterizan por la existencia deunas puntas de potencia deficitaria de muycorta duración pero de elevada magnitud,obligando a realizar inversiones en instalacio-nes que se usarán con un factor de capaci-dad tremendamente bajo y por tanto con uncoste unitario de la electricidad procedentede esas centrales muy alto. Sería muchomás económico y racional gestionar estaspuntas de déficit desde el lado de la deman-da, no requiriendo por tanto esas inversio-nes adicionales.

De hecho, resulta sorprendente la conver-gencia que recientemente está habiendoen esta dirección desde múltiples frentes.En (Morales Barroso, J., junio 2006) seplantea la convergencia de las redes eléctri-cas y de telecomunicaciones (sistemaUETS: Universal Ethernet Telecommunica-tions Service) como una evolución natural ysin necesidad de complejos desarrollos adi-cionales, para evolucionar desde la “Socie-dad del Consumo y la Automoción” a la“Sociedad del Conocimiento y la Informa-ción”. En estas condiciones, la red eléctricapasaría a ser una red inteligente abriendograndes posibilidades a la regulación y ges-tión descentralizadas tanto de la genera-ción como de la demanda. Cualquier elec-trodoméstico conectado a la red estaríadotado de la inteligencia suficiente paraacomodar en tiempo real su demanda a ladisponibilidad de capacidad de genera-ción. Los automóviles eléctricos, no sólo

contribuirían a una gran capacidad de acu-mulación descentralizada cargando susbaterías con el exceso de capacidad degeneración al estar aparcados, sino que encondiciones de punta de demanda podríanaportar potencia distribuida descargandosus baterías para cubrir las puntas dedemanda. Incluso se plantea en esta refe-rencia la posibilidad de que los cochesvayan dotados de módulos fotovoltaicos(este potencial fotovoltaico no está incluidoen el valorado en la primera parte de esteestudio, con lo que aumentaría el techo dela tecnología) de tal forma que constituyanun gran parque de generación descentrali-zado (y móvil), interactuando con la reddirectamente (al estar aparcados) o a tra-vés de la acumulación en sus bateríasmientras estén en movimiento. Con unared inteligente de este estilo, los costes deun sistema de generación 100% renovablese verían significativamente reducidos pordesaparecer esas puntas de déficit decapacidad de generación, con lo que lapotencia del mix de generación a instalar seve considerablemente reducida.

Otro planteamiento reciente en una direcciónparecida es el que aparece en (ESA, junio2006), donde la Agencia Espacial Europealanza una invitación para ofertar estudiosdestinados a evaluar las ventajas de la parti-cipación de tecnologías espaciales para ges-tionar redes de generación eléctrica distri-buidas, con gran participación de energíasrenovables. En estas condiciones, la infor-mación captada desde satélites aumentaríael nivel de inteligencia de la red, tanto encuanto a disponibilidad de los distintosrecursos energéticos como en la capacidadde predicción de la generación y de evolu-ción de la demanda.


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Por último, en este estudio hemos aborda-do el análisis de estos sistemas de genera-ción 100% renovables desde la óptica y conlas herramientas habituales dedicadas alanálisis “convencional” de la red eléctrica.Los objetivos de estos análisis eran empe-zar a enfocar estos nuevos mix de genera-ción desde los puntos de vista habitualesen los análisis de red, tantear la capacidadde las herramientas de cálculo y análisishabituales en el sector para tratar con estenuevo esquema de generación, y detectarposibles limitaciones y necesidades dedesarrollo futuro, tanto para la operación deestos sistemas de generación como paralas herramientas dedicadas a analizarlos.Uno de los resultados principales en estafase ha sido la constatación de las limitacio-nes existentes en las herramientas conven-cionales para los análisis de red a la hora detratar con estos mix de generación con unagran contribución de tecnologías renova-bles. Estas limitaciones son grandes, y enmuchos casos son estructurales por origi-narse en un cambio de filosofía de la genera-ción respecto a la situación “convencional”,conduciendo en general a unas importantesnecesidades de reprogramación de lasherramientas empleadas y a un considerableincremento de capacidad de cálculo necesa-ria. El desarrollo de estas nuevas herramien-tas cae completamente fuera del alcance deeste proyecto, y nuestra aportación en estecampo ha consistido principalmente enidentificar las limitaciones y apuntar en ladirección del desarrollo requerido dando unosprimeros pasos. Además, hemos desarrolla-do unos primeros análisis, basados en pro-cedimientos iterativos que permitan una pri-mera aproximación al problema empleandolas herramientas convencionales, y que nosproporcionen una primera información de

las características de estos mix de genera-ción basados en renovables desde la ópticadel actual sistema de generación. Si lareconversión hacia la sostenibilidad denuestro sistema energético pasa por la evo-lución hacia estos mix de generación basa-dos en renovables, y si consideramos que lared eléctrica puede seguir desempeñandoun papel relevante en el nuevo sistemaenergético, es evidente que se requiere undesarrollo técnico-científico importante paraadaptar las herramientas de análisis a lanueva situación. Este desarrollo técnico-científico, en términos de tiempo y costeses totalmente insignificante frente a lasinversiones necesarias para remodelarnuestro sistema energético, y desde nues-tro punto de vista debería abordarse deforma absolutamente prioritaria. No vaya aser que descartemos las soluciones tecno-lógicas que nos pueden encaminar hacia lasostenibilidad simplemente porque no dis-pongamos de las herramientas adecuadaspara analizarlas correctamente…

En esta línea, el primer análisis realizado hasido desde el punto de vista de los modelosde expansión de la generación. Ante unaremodelación del sistema de generación espreciso afrontar unas inversiones muyimportantes, por lo que resulta convenienteemplear herramientas que permitan optimi-zar las decisiones sobre las inversiones arealizar en base a los costes totales de laenergía producida. Contamos con una grandisponibilidad de tecnologías renovablescon capacidad más que suficiente paracubrir la demanda, y por tanto existen infini-tos mix de generación que podrían condu-cirnos a la cobertura de la demanda, perolos costes de la energía producida con cadauno de estos mix serán distintos. Dado el

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alcance e implicaciones de las inversiones arealizar conviene disponer de herramientasque nos permitan localizar el mix de mínimocoste de la energía total.

Basándonos en las evaluaciones y prospecti-vas de costes de las distintas tecnologíasdesarrolladas en este estudio, hemosempleado un modelo de expansión de lageneración desarrollado en el IIT, que repre-senta el estado actual de este tipo de mode-los, para analizar el sistema de generación100% renovable. La conclusión principal esque en su configuración actual, los modelosde expansión de la generación no tienencapacidad de localizar las inversiones másadecuadas en un mix de generación 100%renovable. El motivo fundamental es queestos modelos, siguiendo la estructura delmodelo de generación actual, basan susdecisiones en una distribución monótona dela demanda, asumiendo que en cada bloquede carga todas las tecnologías en considera-ción están disponibles para aportar su poten-cia nominal, teniendo en cuenta las restric-ciones del recurso hidroeléctrico disponibleen base anual y/o mensual. Pero en un siste-ma de generación basado en renovablesesto no es cierto. Las tecnologías de genera-ción varían su disponibilidad de forma crono-lógica a lo largo del tiempo, de tal forma queno se puede hacer un tratamiento monótonode la demanda pues en un bloque determina-do de carga la disponibilidad de cualquier tec-nología será en general distinta a su potencianominal. Es decir, cuando un modelo deexpansión de la generación asigna una tec-nología a la cobertura de una porción de lademanda, lo hace en base a los costes deesa tecnología, pero sin verificar que esa tec-nología esté disponible para proporcionarenergía en las horas del año correspondien-

tes a esa porción de demanda. En el sistemade generación convencional esto es correctoporque se decide a voluntad cuando una tec-nología produce o no, pero en un sistema degeneración basado en renovables la genera-ción adopta un protagonismo muy superiorporque su disponibilidad varía cronológica-mente a lo largo del año. Por tanto, al ejecu-tar los modelos de expansión de la genera-ción actuales, el resultado final es de pocautilidad, pues dado el gran potencial detodas las tecnologías consideradas, simple-mente asigna toda la capacidad de genera-ción a la tecnología más económica, que ennuestro caso resulta ser la eólica. Pero real-mente, con ese mix de generación no hayninguna garantía de que se consiga cubrir lademanda por no haber contrastado la disponi-bilidad cronológica de esa tecnología. Es más,tal y como mostramos en el apartado de aná-lisis temporal, debido a la gran reducción delfactor de capacidad al intentar cubrir toda lademanda con una única tecnología, los cos-tes de la electricidad generada con un mixdominado por una tecnología son en generalsuperiores a los alcanzados con mix demayor diversidad tecnológica.

La adaptación de los modelos de expansiónde la generación a las condiciones de un sis-tema de generación basado en renovablespasan o bien por realizar el análisis en basecronológica, o bien por correlacionar la dis-ponibilidad de generación con los distintosbloques de demanda.

La solución completa al problema sólo seobtiene realizando el análisis en base crono-lógica en lugar de monótona, considerandola evolución de demanda y capacidad degeneración a lo largo de las 8.760 horas delaño y de los años de vida útil del sistema de


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generación. Sin embargo, esto presentaimportantes limitaciones. La primera es decarácter computacional por la gran capacidadde cálculo requerida para ejecutar los mode-los de optimización con este grado de detalle.La segunda es conceptual, y está asociada ala falta de determinismo en el conocimientode la evolución temporal del recurso en elfuturo. Es decir, podemos disponer de seriestemporales de evolución del recurso duranteun año tipo representativo de la vida del siste-ma de generación, pero no se corresponderácon ninguno de los años reales que va aencontrarse ese mix de generación en suvida útil. Afortunadamente, la diversidadtecnológica y la dispersión espacial de lacapacidad de generación regularizan tremen-damente la disponibilidad del recurso tal ycomo mostramos en el análisis temporal, porlo que esta segunda limitación desaparece enla práctica, pudiendo desarrollar el análisiscronológico a lo largo de un único año y pro-porcionando un pequeño exceso de capaci-dad de generación para permitir la regulacióndel acoplamiento generación-demanda.

Una solución intermedia para adaptar losmodelos de expansión de la generaciónactuales, sin incurrir en las grandes penaliza-ciones de cálculo del análisis cronológico, esbuscar correlacionar los distintos bloques decarga monótonos con la disponibilidad delrecurso de cada tecnología, lo cual requiereun análisis temporal y procesado de lasseries de capacidad de generación, y consti-tuye sólo una mejor aproximación al proble-ma, pero está limitada por la falta de correla-ción entre capacidad de generación ydemanda para cada una de las tecnologías.

Una vez que ya se dispone de un mix degeneración, bien sea porque el modelo de

expansión de la generación nos ha permitidodecidir el mix óptimo a instalar o porque parti-mos de un mix dado, el siguiente paso en elanálisis convencional de red consiste endeterminar el despacho más económico decada una de las tecnologías, es decir, el deci-dir cual de las tecnologías instaladas convieneque suministre cada porción de la demanda.Para este análisis hemos empleado la herra-mienta StarNet/RD, un modelo de explota-ción generación / red desarrollado en el IIT yprogramado en GAMS. Habitualmente, estosmodelos se emplean para análisis a cortoplazo (una semana), en cuyo caso la demandase modela cronológicamente, o para análisisa largo plazo (un año) en cuyo caso la deman-da se modela de forma monótona.

La primera limitación que surge al emplearestos modelos de generación / red para elanálisis de un sistema basado en renovableses que, por los motivos anteriormentecomentados de acoplamiento temporalgeneración-demanda, es preciso desarrollarel análisis en base cronológica y extenderloa todo el año, con lo cual los requerimientoscomputacionales del modelo se disparan.Además, debe introducirse en el modelo ladisponibilidad cronológica de la capacidad degeneración de cada una de las tecnologías,así como las restricciones relevantes de losdistintos recursos.

La exigencia de análisis cronológico extendi-do a todo el año acerca mucho los requeri-mientos sobre este modelo de generación /red a los que imponíamos en el modelo deexpansión de la generación. La diferenciafundamental entre ambos reside en que elprimero no tiene capacidad de tomar deci-siones sobre las inversiones a realizar pormanejar sólo los costes de operación. A la

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vista de esta situación, parece adecuado uni-ficar los requerimientos de desarrollo deherramientas de análisis para este tipo desistemas de generación de tal forma queuna misma herramienta pudiera servir paraplanificar la expansión de la generación ypara determinar el despacho económico.Una forma que hemos explorado de emplearlos modelos de generación / red para obte-ner simultáneamente el mix óptimo degeneración y el despacho económico esmediante un proceso iterativo en que elmodelo de generación / red se alimenta conlos costes anualizados de la electricidad pro-ducida para cada tecnología según el despa-cho asignado en la ejecución anterior. Pos-teriormente, y dados los grandes problemasde convergencia de este planteamiento,hemos procedido a modificar la formulacióndel modelo de generación / red para incor-porar tanto los costes de inversión como losde operación.

El modelo de generación / red se puedeemplear para determinar el despacho eco-nómico sin restricciones de evacuación porparte de la red eléctrica (a nudo único), oincorporando las restricciones de evacua-ción de la red. Al intentar incorporar las res-tricciones de la red, el problema que noshemos encontrado es que los modelos dela red peninsular disponibles tienen unagran cantidad de nudos (de 1200 a 400 enlos modelos que teníamos disponibles), queal añadirlos a la necesidad de un análisiscronológico y a la gran cantidad de tecnolo-gías involucradas y distribuidas por todoslos nudos de la red disparan los requeri-mientos computacionales para la resolucióndel problema. En este sentido pareceríaapropiado desarrollar un modelo simplifica-do de red eléctrica del orden de 1 nodo por

provincia, que permitiera desarrollar análisiscronológicos destinados a sacar en un tiem-po de cálculo razonable la información prin-cipal asociada a la planificación y explota-ción de un sistema de generación basadoen renovables.

Por otro lado, la incorporación de las restriccio-nes de red en la asignación del despachoeconómico, y más en las condiciones con-sideradas en las que hemos distribuidocompletamente la generación en una redconcebida para un patrón de generaciónradicalmente distinto, conduce fácilmentea redistribuciones de la capacidad de gene-ración que pueden estar ocasionadas porcongestiones de carácter local de la red.Con el fin de profundizar en esta situación,sería adecuado proceder a realizar un análi-sis eléctrico más detallado de algunoscasos de carga de la red para unos despa-chos preasignados, lo cual constituye unode los siguientes pasos a dar en el análisisde estos sistemas de generación.

El problema fundamental en este tipo deestudios, que con el sistema de generaciónconvencional se desarrollan para ciertosinstantes a lo largo del año determinadosfundamentalmente por la demanda (pun-tas, valles,…), es que en un sistema degeneración basado en tecnologías renova-bles desaparecen en cierta medida los con-ceptos convencionales de punta y valle porno tener una potencia instalada fija, ni a lolargo del tiempo, ni en distribución geográfi-ca al modificarse la disponibilidad temporalde cada tecnología a lo largo del territoriopeninsular. Por tanto, es difícil determinar apriori los estados de carga críticos para lared, requiriendo en principio desarrollar elanálisis para cada una de las 8.760 horas del


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año. Sin embargo, la constitución de los mixde generación con gran aporte renovable,con múltiplos solares y potencia rodanteefectiva muy elevados, muy distribuidos alo largo del territorio en comparación al mixde generación actual, e implementandomuchas tecnologías con capacidad de res-puesta muy elevada, proporcionan una granflexibilidad para modificar el despacho en uninstante dado acomodándose a las limitacio-nes de evacuación introducidas por la red.En este sentido probablemente baste conanalizar con detalle algunos escenarios cer-canos a las puntas de demanda (absoluta orelativa) para contrastar en una primeraaproximación la viabilidad de gestionar estesistema de generación con la red eléctricaactualmente disponible.

De hecho, es cuestionable el sentido quetiene analizar un sistema de generación tanradicalmente distinto al actual y proyectadoal año 2050 en el marco de la red de trans-porte eléctrico actual, que ha sido desarro-llada para cumplir una función totalmentedistinta. De cara al 2050, la estructura de lapropia demanda puede haberse modificadoradicalmente, tanto cuantitativa como cuali-tativamente. Baste con plantearse la posibi-lidad que comentábamos anteriormente deque se decida adoptar como vector energé-tico principal para el suministro de lademanda total de energía la electricidad. Enesta situación, la demanda eléctrica pasaríade 280 TW.h/a a más de 1.500 TW.h/a en laEspaña peninsular del 2050. Si la red eléctri-ca debe encargarse de suministrar esos1.500 TW.h/a es evidente que deberá sufriruna remodelación total, de alcance muysuperior a las adaptaciones requeridas poruna redistribución de la capacidad de gene-ración por el territorio peninsular.

Sin embargo, el hecho de que en los paísesdesarrollados partamos de un sistema detransporte y regulación completamenteestablecido y con grandes limitaciones parasu desarrollo / modificación, actuará comocondición de contorno del proceso de tran-sición hacia un sistema de generación reno-vable, y puede llegar a influir la composiciónfinal del mix de generación por restriccionesencontradas en dicho proceso de transición.

Nosotros hemos hecho un esfuerzo por avan-zar, o por lo menos dar los primeros pasos, enel análisis desde la perspectiva de la red eléc-trica actual, básicamente por proporcionar unacercamiento entre el sector eléctrico actualy los mix de generación 100% renovablesnecesarios para encauzar el sector hacia lasostenibilidad. Pero somos de la opinión deque, dada la gran flexibilidad para la regula-ción que proporciona un mix de estas caracte-rísticas (múltiplo solar elevado, potenciarodante elevada, opciones hibridación, diver-sidad tecnológica, elevada capacidad de res-puesta,…) y su gran distribución espacial enla geografía peninsular, a lo que hay que aña-dir las interesantes opciones que se abrenpor el lado de la gestión de la demanda y laampliación de la extensión territorial asociadaal sistema eléctrico por las interconexiones eincrementos de intercambio con Europa yÁfrica (al ampliar la extensión territorial consi-derada, tanto la generación a partir de fuentesrenovables como la demanda se regularizanen el tiempo, permitiendo cubrir un mayorporcentaje de la demanda con una potenciarenovable y capacidad de almacenamiento osuplemento dadas), la capacidad de gestionarcorrectamente este mix de generación, inclu-so con la red de transporte actual, no repre-senta una barrera tecnológica significativapara su desarrollo e implementación.

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Para profundizar en estos sistemas de gene-ración sería necesario desarrollar otros análi-sis de mayor detalle en la red eléctrica (flujosde carga en alterna, análisis de regulación,análisis de estabilidad…) que correspondena una etapa posterior de análisis y escapantotalmente al alcance de este estudio.

En los últimos años, y a lo largo del desarrollode este estudio, han empezado a apareceranálisis técnicos apuntando en la mismadirección de analizar la viabilidad de sistemasde generación basados en renovables. Entodos los casos los estudios asumen escena-rios no limitados por la red eléctrica. Es decir,asumen que la red de transporte eléctrico esun medio y no un fin, y se adaptará a los reque-rimientos del sistema de generación basadoen renovables. Por tanto el análisis se limita aanalizar la evolución temporal a lo largo de unaño tipo de la capacidad de generación eléc-trica renovable y de la demanda, determinan-do la necesidad de potencia instalada paracubrir la demanda eléctrica a lo largo de todoel año. La regulación necesaria del sistema degeneración, así como las características de lared de transporte eléctrico para soportarlo, seasumen desarrolladas, pudiendo extraer delos resultados del análisis los requerimientospara estos dos sistemas, pero sin entrar ensu evaluación técnica. Un sistema de genera-ción eléctrica basado principal o exclusiva-mente en tecnologías renovables tiene unascaracterísticas completamente distintas delos sistemas de generación actuales apoya-dos principalmente en la generación fósil onuclear y con una pequeña penetración degeneración renovable. Por ello, y dados losdesarrollos tecnológicos a realizar en las pro-pias tecnologías de generación, tiene lógica,por lo menos al largo plazo, el presuponer queel sistema de transporte eléctrico se adaptará

a las nuevas necesidades del sistema degeneración remodelándose como sea nece-sario, sin convertirse en ninguna limitaciónestructural al desarrollo del sistema de gene-ración basado en renovables.

En (Giebel G., 2000ª y 2000b) y (Czisch G.,Giebel G., 2000) se encuentran análisis deeste estilo limitado a la generación eólica, estoes, un mix energético basado principalmenteen la tecnología eólica para cubrir la demandade electricidad en Europa. Es de resaltar elelevado potencial de penetración renovable(aunque sea de una sola tecnología) cuandose liberan las restricciones del sistema detransporte y se amplía el ámbito territorial dela generación más allá del de la demanda. Así,por ejemplo en (Czisch G., Giebel G.,2000) seesboza un escenario con el cual se satisface el100% de la demanda de electricidad de la UEy Noruega sólo con el uso de energía eólica(660 GW) instalada en Europa, norte de Rusia,región del mar Caspio, Marruecos y Maurita-nia. Al abarcar una extensión geográfica tanamplia, basta con la capacidad de bombeohidroeléctrico actualmente disponible (aumen-tando potencia de turbinas) en la región paracompensar los excesos de producción ydemanda (del orden del 14%).

En (Quaschning V., 2001) se plantean losresultados de un análisis temporal para elsuministro de electricidad renovable en Ale-mania con distintos escenarios de evoluciónde la demanda, combinando las tecnologíaseólica, hidroeléctrica, biomasa y fotovoltaica, yevaluando los requerimientos de capacidad dealmacenamiento. Para el año 2050, aunquesin proporcionar demasiada información sobrehipótesis, proceso de cálculo y resultados, enel escenario de ahorro energético, obtienenuna cobertura del 99% de la demanda con


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renovables, y unos requerimientos de capaci-dad de almacenamiento de sólo el 3% de laelectricidad renovable generada.

En (Jaramillo O.A., Borja M.A., Huacuz J.M.,2004) se desarrolla un análisis temporal paraanalizar la capacidad de cobertura de lademanda eléctrica combinando energía eóli-ca e hidroeléctrica en algunas regiones deMéxico favorecidas por ambos recursos. Esun análisis de carácter mucho más local quelos otros referenciados, pero muestra elpotencial de aprovechar las sinergias entreestas dos tecnologías.

En (Illum, K., 2006) se analiza y valora unaestrategia para reconducir el sistema nórdi-co (Noruega, Suecia, Finlandia y Dinamarca)hacia la sostenibilidad energética en el 2030.Basándose en tecnologías hidroeléctrica,eólica, biomasa, solar y la cogeneración, yhaciendo hincapié en la relevancia de la ges-tión integral del sistema energético en con-traposición a un sistema eléctrico desacopla-do del resto de la demanda energética,muestran la viabilidad de la transición del sis-tema energético respetando las restriccionesambientales y sin incurrir en costes que limi-ten el resto de actividades económicas, encontraposición a las fuertes limitaciones eco-nómicas que cabe esperar en caso de man-tener la estructura energética actual depen-diente del petróleo, el gas, y la nuclear.

En (Corsini A., Gamberale M., Rispoli F.,2006) se aplica un análisis temporal paraanalizar la viabilidad de un sistema energéti-co basado en energías renovables (eólica,solar fotovoltaica y solar térmica de bajatemperatura) y almacenamiento a través dehidrógeno para suministrar la demanda eléc-trica de una isla italiana. El pequeño tamaño

del sistema eléctrico considerado (demandamáxima = 0,74 MWe), la gran estacionalidadde la demanda debida al turismo, y el hechode estar aislado de cualquier otro sistemaeléctrico, dificultan mucho más la coberturade la demanda de este sistema que en elcaso de la España peninsular consideradaen nuestro estudio. Aún con todo, apoyán-dose en un sistema de almacenamientoestacional de hidrógeno para trasladar lamayor capacidad de generación en invierno(eólico dominante) hacia el verano con elpico de población y demanda asociado alturismo, e introduciendo medidas de efi-ciencia energética y gestión de la demanda,consiguen cubrir el 90% de la demandaeléctrica con renovables.

Introducción

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revoluciÓn energÉtica renovables...

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