Firming weather dependent renewable generation yields single digit system level energy returns

Imagina que estás tratando de alimentar una ciudad enorme y bulliciosa. Tienes una flota de paneles solares y turbinas eólicas, que son fantásticas para generar electricidad cuando el sol brilla y el viento sopla, pero aquí está el problema: el sol no brilla por la noche, y el viento no siempre sopla, especialmente durante esas largas semanas de invierno oscuro. Para mantener las luces encendidas las 24 horas del día, los 7 días de la semana, necesitas un "plan de respaldo" que pueda intervenir cuando la naturaleza se toma un descanso. Este es el mundo del Retorno Energético sobre la Inversión (EROI, por sus siglas en inglés). Piensa en el EROI como un "margen de beneficio" para la energía. Si gastas 1 unidad de energía para construir una planta de energía y esa planta te devuelve 10 unidades de energía a lo largo de su vida, tu EROI es 10. ¡Es un gran trato! Pero si gastas 1 unidad para obtener solo 1.1 unidades de vuelta, tu EROI es 1.1, lo cual es apenas suficiente para mantener las luces encendidas, y mucho menos para construir hospitales, escuelas o cohetes espaciales. La gran pregunta que se hacen los científicos es: cuando añadimos todas las cosas extra necesarias para hacer que la energía solar y eólica sean fiables (como baterías gigantes o plantas de gas de respaldo), ¿desaparece el "beneficio"?

Este artículo, escrito por Hans Peter Beck, profundiza exactamente en esa cuestión. Actúa como un libro contable gigante para un sistema energético futuro. En lugar de mirar simplemente un panel solar en un tejado, el autor construye un modelo de "flota": una red eléctrica imaginaria masiva para Europa Central que depende en un 80% del viento y en un 20% del sol. El estudio luego pregunta: "¿Qué sucede con nuestro beneficio energético cuando añadimos el trabajo pesado necesario para que esta energía dependiente del clima sea fiable?". El artículo encuentra que, si bien los paneles solares se ven geniales por sí solos, en el momento en que añades los sistemas de "refuerzo" (respaldo) necesarios para mantener las luces encendidas durante las tormentas invernales, el beneficio energético cae drásticamente. De hecho, las opciones de respaldo más fiables probadas (como el almacenamiento de hidrógeno o las plantas de gas) reducen el beneficio energético a dígitos únicos, o incluso cerca de cero. El artículo sugiere que, sin un excedente de energía elevado, nuestra sociedad moderna y compleja podría tener dificultades para sobrevivir, y mucho menos para prosperar.

El sueño solitario del panel solar

Comencemos con el héroe de nuestra historia: el panel solar. Por sí solo, un panel solar es un poco una estrella de rock. Si miras solo la instalación —el panel, los cables y el inversor— tiene un beneficio energético fantástico. En las zonas soleadas de Europa Central, por cada unidad de energía utilizada para construirlo, podría devolver 15 a 20 unidades a lo largo de su vida. Eso es como comprar un boleto por $1 y ganar $20. ¡Suena como un boleto de lotería ganador!

Pero aquí está el giro de la trama: un panel solar es un "amigo de buen tiempo". Solo funciona cuando el sol está afuera. Si quieres hacer funcionar toda una ciudad, no puedes confiar solo en amigos de buen tiempo. Necesitas un plan de respaldo para los días lluviosos, las noches nubladas y esos periodos de invierno aterradoramente largos donde el sol apenas se asoma y el viento está muerto de calma. Los científicos llaman a esta necesidad de respaldo "refuerzo" (firming). Es la diferencia entre tener una manta de picnic (solar) y tener una tienda de campaña completa con calentador (energía firme).

El costo del plan de respaldo

El artículo construye una simulación masiva de una red eléctrica para ver qué sucede cuando intentamos convertir a ese "amigo de buen tiempo" en un "compañero de piso confiable". El autor crea un escenario donde el 80% de la energía proviene del viento y el 20% del sol. Esta mezcla es genial porque el viento suele soplar cuando el sol no brilla, pero incluso esta combinación tiene una debilidad: a veces, tanto el viento como el sol toman una siesta al mismo tiempo. Estos son llamados eventos "Dunkelflaute" (una palabra alemana elegante para "calma oscura").

Para sobrevivir a estas calmas oscuras, el artículo prueba tres estrategias de respaldo diferentes, y los resultados son un poco impactantes.

1. El banco de baterías (El arreglo a corto plazo)
Imagina que intentas resolver el problema con una batería gigante. Las baterías son excelentes para desplazar la energía de la tarde a la noche, como mover algunas manzanas de una cesta llena a una vacía. Pero, ¿qué pasa si la cesta está vacía durante una semana entera?
El artículo calcula que si intentas almacenar suficiente energía en baterías para que dure solo 24 horas, el beneficio energético se desploma. En lugar de obtener 15 unidades de vuelta, podrías obtener solo 0.7 a 2.3 unidades. ¿Por qué? Porque fabricar esas baterías masivas requiere una enorme cantidad de energía. Es como intentar llevar una mochila llena de ladrillos para ir a la tienda; cuanto más pesada sea la mochila, menos energía tendrás para comprar realmente los comestibles. Incluso una batería de 4 horas reduce el beneficio al rango de 3.4 a 7.6. El artículo sugiere que, si bien las baterías son útiles para siestas cortas, son demasiado pesadas y costosas para llevarnos a través de un largo invierno.

2. El tanque de hidrógeno (El arreglo a largo plazo)
A continuación, el artículo analiza el hidrógeno. Esto es como convertir la electricidad en un gas, almacenarlo en un tanque subterráneo gigante y convertirlo de nuevo en electricidad cuando sea necesario. Es el almacenamiento definitivo a largo plazo, capaz de retener energía durante semanas o meses.
Sin embargo, el proceso es muy ineficiente. Es como intentar llenar un cubo con una manguera que tiene fugas. Tienes que bombear mucha agua (electricidad) para que quede un poco en el cubo. Debido a estas pérdidas, necesitas construir más paneles solares y turbinas eólicas solo para llenar el tanque. El artículo encuentra que, incluso con este "superalmacenamiento", el beneficio energético cae a un rango de 3.4 a 7.7. Es mejor que una batería de 24 horas, pero sigue estando en la zona de los "dígitos únicos", que es un lugar peligroso para una sociedad moderna.

3. El respaldo de gas (La muleta de combustibles fósiles)
Finalmente, el artículo analiza el mantenimiento de las plantas de energía de gas en espera. Estas plantas no necesitan almacenar energía; simplemente queman gas cuando el viento y el sol fallan.
El resultado aquí es aún más crudo. Debido a que tienes que mantener estas enormes plantas de gas construidas y listas para funcionar (incluso si permanecen inactivas la mayor parte del tiempo), y debido a que tienes que quemar el combustible para hacerlas funcionar, el beneficio energético cae estrepitosamente a 1.2 a 2.6 para el gas de tubería, e incluso más bajo (1.0 a 2.2) para el gas natural licuado (GNL).
El artículo explica que, con un EROI de 2, estás gastando la mitad de tu producción total de energía solo para mantener las plantas de energía funcionando. Es como un negocio donde la mitad de tus ingresos se van en pagar el alquiler, dejando muy poco para cualquier otra cosa. Con un EROI de 1, solo estás saliendo tablas, y por debajo de 1, estás perdiendo dinero. El artículo sugiere que confiar en el respaldo de gas puede mantener las luces encendidas, pero deja casi ningún "excedente" de energía para construir escuelas, curar enfermedades o explorar el espacio.

La ilusión "alpina"

Podrías pensar: "¿Qué tal si ponemos paneles solares en las montañas nevadas? La nieve refleja la luz, así que deberían funcionar mejor". El artículo también comprueba esto. Resulta que, aunque los paneles de montaña reciben un poco más de sol, el costo de construir caminos, soportes pesados y líneas eléctricas en las montañas se come toda esa ganancia adicional. El beneficio energético para la energía solar de montaña termina siendo tan bajo como la solar regular cuando se añaden los requisitos de respaldo. El artículo sugiere que colocar paneles en terrenos difíciles no resuelve el problema fundamental de necesitar un sistema de respaldo masivo.

El panorama general: Por qué esto importa

Entonces, ¿cuál es la conclusión de este gran libro contable de energía? El artículo sugiere que hemos estado mirando la energía solar y eólica de forma aislada, como juzgar un coche por su motor sin considerar el combustible, los neumáticos y el conductor. Cuando miras el sistema completo necesario para que una ciudad funcione de manera confiable, el "beneficio" de la energía renovable se reduce significamente.

El autor argumenta que una sociedad industrial moderna necesita un beneficio energético alto (un EROI de al menos 7 a 10) para apoyar cosas como la atención médica, la educación y la investigación científica. Si el sistema energético es tan ineficiente que tiene que gastar la mayor parte de su propia energía solo para construirse y mantenerse a sí mismo, no queda mucho para el resto de la sociedad. El artículo sugiere que, si bien la energía solar y eólica son importantes, no pueden ser la única solución si queremos que nuestro complejo mundo siga funcionando sin quedarse sin excedente de energía. Insinúa que podríamos necesitar otros tipos de energía que sean "firmes" (siempre encendidos) y tengan un alto beneficio energético, como la energía nuclear o la hidroeléctrica, para llenar el vacío.

En resumen, el artículo advierte que el camino hacia un futuro verde no consiste solo en poner más paneles en los tejados. Se trata de comprender el pesado costo de la confiabilidad. Si ignoramos el costo del respaldo, podríamos encontrarnos con mucha energía verde que no es del todo suficiente para alimentar el mundo en el que vivimos.