Creación de un modelo energético sostenible

CREACIÓN DE UN MODELO ENERGÉTICO SOSTENIBLE

Este trabajo ha sido realizado en el programa de Bachillerato de Excelencia IES Arquitecto Ventura Rodríguez

Boadilla del Monte (Madrid) a 15 de diciembre de 2022

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Agradecimientos:

A Gregorio Rosa, tutor de este trabajo, a mi familia y amigos quienes siempre han estado ahí para apoyarme, en especial a mi padre quien me sirvió de inspiración para hacer este trabajo y IES Arquitecto Ventura Rodríguez, por darme la oportunidad de hacer este trabajo

Síntesis:

El objetivo de este trabajo es el de desarrollar un modelo energético sostenible, esto es algo de gran importancia en tiempos recientes donde la necesidad de abastecer de energía a la población e industria de una forma lo menos contaminante posible es de vital importancia para el futuro de nuestra existencia. En esta trabajo se abordará este tema buscando datos con respecto a distintos factores relacionados con el mundo de la producción energética, para posteriormente utilizarlos para calcular distintos factores que afectan a las distintas formas de producir electricidad, además, se usarán datos extraídos en la búsqueda y los elaborados basándose en esto para proponer y justificar un hipotético modelo energético paraEspañaquecubralademandadeenergíadelaformamáseficienteysostenibleposible.

Abstract:

The goal of this project is to develop a sustainable energetic model, my motivation for doing this project is the increasing need for energy at the same time as the environment is deteriorating, therefore, creating a sustainable energetic model is not only needed to supply the world of energy, but to also protect the environment and our future as a species. This research project tackles this topic by searching and browsing for data concerning energyrelated factors. Once this data was collected, it was used to calculate different factors that affect the different energy means of production, after this, both the data browsed and the data calculated were used to compare the different energy sources and justify any decisions on the creation of the sustainable energetic model. All this research and comparison of data brought me to the conclusion that the most efficient and sustainable energetic model was one based on nuclear energy and wind turbines for mainland Spain and biofuel thermal plants for Spain’s overseas territories.

Índice

1. Introducción

1.1 ¿Qué es la energía eléctrica?

La energía es la capacidad de realizar un trabajo, dicho de otra forma, para realizar cualquier acción que cause un cambio de cualquier tipo, es necesaria la intervención de energía. La energía puede ser de diversa naturaleza, cinética, térmica o eléctrica, entre otras.

En la tierra, gran parte de toda la energía que recibimos proviene del sol, ya sea de forma directa, como la energía solar (tanto térmica como fotovoltaica), que provienen directamente del sol; la energía eólica, que proviene del viento; y la energía hidráulica que proviene del agua. O indirecta, como son las energías provenientes de seres vivos, los combustibles fósiles (carbón, gas natural y petróleo) y los biocombustibles (materia orgánica).

La energía eléctrica por su parte proviene del movimiento de electrones entre dos puntos con potenciales eléctricos distintos,el cual sellamacorriente eléctrica,lacorrienteeléctrica también genera calor por los choques entre los electrones y los átomos del material conductor, haciendo que estos ganen velocidad que se traduce en calor. La corriente eléctrica puede ser continua, que fluye de un punto a otro siempre en el mismo sentido, como en una batería; o alterna, en el cual la energía va de un punto a otro cambiando periódicamente de sentido, la energía producida a gran escala procede de generadores de energía alterna.

Ilustración 1: Representación de la corriente continua y la corriente alterna

La energía eléctrica, o electricidad tiene beneficios varios, tales como su fácil obtención, su fácil transporte a través de grandes distancias y su versatilidad

1.2 Historia de la electricidad

Su descubrimiento original se atribuye a Tales de Mileto, en el siglo VI antes de cristo, el observó cómo al frotar trozos de ámbar, estos atraían partículas pequeñas, a eso lo llamó elektron, que significa ámbar. El estudio de la electricidad no comenzó hasta el siglo XVI, de la mano del científico inglés William Gilbert, quien escribió el primer tratado sobre ella1 Sus aportaciones serían retomadas por Otto von Guericke en el siglo XVII, quien inventó la primera máquina de vacío2. Al no haber aire en esta, se facilitaba la atracción de cuerpos electrificados, además de la primera máquina electroestática, esto le permitió descubrir el fenómeno de la conducción eléctrica y el poder de las puntas, este último descubrimiento lo aprovechó Benjamin Franklin para inventar el pararrayos en 1752.

En 1800, el italiano Alessandro Volta desarrolló la primera batería eléctrica, estas producían una descarga eléctrica contina, la cual André-Marie Ampère, un físico francés denominó corriente eléctrica en 1820, también en 1820, Hans Christian observó que un cable conductor con corriente eléctrica desviaba una aguja magnética, este descubrimiento reveló el efecto de la electricidad en los campos magnéticos e inauguró la experimentación conjunta de cables e imanes. Gracias a este descubrimiento, Michael Faraday mostró que un imán podía mover un cable conductor por el cual pasaba corriente, desarrollando así el precursor del motor eléctrico en 1821. Gracias a estos descubrimientos, en la década de 1870 Zénobe Gramme invento la dinamo3, que permitió la aparición de generadores y alternadores inventados principalmente por Nicola Tesla. Todos estos descubrimientos, junto a grandes turbinas, constituyeron el principal elemento de generación eléctrica que abastecieronde electricidadalasociedaddela épocaypermitieronla aparición deinventos como el telégrafo4 (1839), el teléfono5 (1876) o el tren eléctrico6 (1879) entre otros.

1 De Magnete (1600) https://www.new-science-theory.com/william-gilbert-de-magnete.pdf

2 1650 https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_pump

3 1871 https://en.wikipedia.org/wiki/Gramme_machine

4 Primer telégrafo comercial inventado por Cooke y Wheatstone https://es.wikipedia.org/wiki/Tel%C3%A9grafo

5 Inventado por Antonio Meucci en 1954, pero patentado por Alexander Graham Bell en 1976 https://es.wikipedia.org/wiki/Tel%C3%A9fono

6 Inventado por Werner von Siemens https://historia.nationalgeographic.com.es/foto-del-dia/primertren-electrico-mundo_18030

1.3

¿Cómo se produce la electricidad?

La electricidad se divide en diversos tipos: La energía eléctrica dinámica, que consiste en el movimiento de la electricidad en un circuito cerrado gracias al uso de materiales conductores. La electricidad estática, que consiste en la acumulación de gran cantidad de carga eléctrica en materiales no conductores. Y la energía electromagnética consiste en la energía acumulada en una región del espacio llamado campo electromagnético, este puede ser aprovechado para producir electricidad usando la ley de Faraday7, esta ley, también llamada de inducción es la razón por la cual cuando a una bobina de alambre de cobre se leacercaun campo magnéticoenmovimiento estagenerará energía eléctrica.Esto sepuede aplicar en forma de una dinamo, que, al hacer rotar un imán en un alambre de cobre u otro conductor, va a generar electricidad, por eso se llaman generadores. Este es el principio por el cual se basan la mayor parte de las centrales de producción eléctrica para generar energía eléctrica a partir de la rotación de una turbina8. Estas turbinas tienen la capacidad de transformar la energía cinética de un fluido en nuestro caso agua, viento o vapor, en movimiento de rotación. sabiendo esto, podemos pasar a explorar como distintas plantas de producción eléctrica producen ese movimiento,

Ilustración 2:

de funcionamiento de una dinamo

1.3.1 Aerogeneradores

Los aerogeneradores sean seguramente una de las formas de producir energía más simple: los aerogeneradores transforman el movimiento de sus palas movidas por el viento en movimiento de rotación que se maximiza en una caja de engranajes que a su vez pasa a un generador que convierte esa rotación en electricidad, esa electricidad baja a través de

Ilustración 3: Diagrama de funcionamiento de un aerogenerador

7 Ley de inducción (1831) https://en.wikipedia.org/wiki/Faraday%27s_law_of_induction

8 Inventada por Charles Algernon Parsons en 1854 https://es.wikipedia.org/wiki/Charles_Algernon_Parsons

Diagrama

la torre del aerogenerador hasta una subestación, la cual distribuye la energía. Se podría decir que los aerogeneradores son simplemente grandes turbinas.

Para maximizar su eficiencia, los aerogeneradores poseen veletas que les permiten conocer la dirección del viento y por lo tanto orientarse de la mejor forma posible, las palas del aerogenerador también pueden cambiar su ángulo de ataque para maximizar la resistencia. Los aerogeneradores pueden estar construidos tanto en tierra cómo en el mar, donde aprovechan la brisa marina para producir electricidad. también pueden tener un eje horizontal o un eje vertical, cada uno con sus respectivas ventajas e inconvenientes. de media, un aerogenerador tiene una vida útil de 25 años.

Sus principales beneficios son su versatilidad, ya que pueden ser de diversos tamaños y formas para adaptarse a cualquier situación y su fuente de energía, la cual es el viento una fuente renovable e inacabable, además de tener unas emisiones extremadamente bajas. Por otra parte, sus principales desventajas son que necesitan gran espacio para poder instalarse, lo cual además puede causar daños a ecosistemas cercanos y en concreto a las aves, y el viento, el cual no es una fuente continua de energía y no se puede almacenar, por lo tanto, la energía producida debe consumirse en el momento.

1.3.2 Centrales Hidroeléctricas

Las centrales hidroeléctricas son aquellas centrales que utilizan un flujo de agua para producir energía. Las centrales hidroeléctricas convencionales utilizan la energía potencial y cinética delaguaenunacaídaparamoverunas grandes turbinas y generar electricidad. Las centrales hidroeléctricas se compones principalmente de tres elementos: Una presa es un gran muro, normalmente de hormigón, con la función de evitar que el agua pasa de forma descontrolada; Un embalse, una gran acumulación de agua; y la central hidroeléctrica en sí, la cual aprovecha la caída

Ilustración 4: Diagrama de las principales partes de una central hidreeléctrica

del agua del embalse a través de la presa de forma controlada para mover unas grandes turbinas, que a su vez mueven generadores que general electricidad. Algunas centrales también cuentas con sistemas de bombeo para recuperar el agua y volver a enviarla al embalse para ser reaprovechada. Sus principales beneficios son su larga vida útil, de unos 65 años, sus bajas emisiones, y el control, ya que puede controlar el flujo de agua, lo cual tambiénpermiteutilizar el aguaparaproducirenergíaencualquiermomento.Porotrolado, sus mayores inconvenientes son la posible falta de agua, y que en su construcción pueden tenerse que desalojar pueblos para ser inundados, ya que estos estarían dentro del embalse.

1.3.3 Centrales térmicas

Las centrales térmicas son aquellas que usan calos para generar electricidad. En esta categoría se incluyen la gran mayoría de centrales actuales: convencionales, de ciclo combinado, solares térmicas, de biocombustible, y nucleares. La principal diferencia es combustible que usan para producir energía.

1.3.3.1

Centrales térmicas convencionales

Estas son centrales térmicas que utilizan carbón, gas natural, o derivados del petróleo para producir energía mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor. Sus componentes básicos son: la caldera, donde se quema el combustible y se usa el calor para calentar agua y transformarla en vapor; las paredes de agua, que son las tuberías por las cuales circula el agua que se transforma en vapor gracias a la caldera; La turbina de vapor, donde el vapor mueve una turbina que a su vez mueve un generador; Y, el generador, que produce electricidad al ser movido por la turbina. Ese vapor luego es enfriado por otro ciclo de agua que puede estar conectado a un río, lago, mar o a una torre de refrigeración por medio del condensador.

Ilustración 5: Diagrama de funcionamiento de una central térmica convencional

Su principal ventaja es el precio de combustible, el cual suele ser barato, sobre todo en el caso del carbón, y su densidad energética, la cual es muy alta. Sus principales desventajas son sus emisiones de gases nocivos para el medioambiente.

1.3.3.2

Centrales térmicas de ciclo combinado

Estas centrales térmicas son centrales térmicas de gas natural que cuentan con dos turbinas ociclos:Unaturbinadegasconvencional(CiclodeBrayton)9 yotraturbinadevapor(Ciclo de Rankine)10. Además, las centrales de ciclo combinado contienen una caldera de recuperación, parte esencial de la central. En un primer momento se quema gas natural en una cámara de combustión, donde el gas se mezcla con aire a presión y se quema, eso mueve la turbina de gas que genera energía con un generador. Por otra parte, los gases residuales de ese proceso pasan por la caldera de recuperación, en la cual esos gases intercambian calor con un sistema de tuberías de agua que se transforma en vapor y mueven la segunda turbina, esta de vapor. Por último, ese vapor se enfría usando agua de otro circuito que conecta con una masa de agua o una torre de refrigeración.

Ilustración 6: Diagrama de funcionamiento de una central térmica de ciclo combinado

Sus principales beneficios son su capacidad de trabajar sin carga completa, además de ser más eficientes y densa energéticamente que una central térmica convencional. Por otro lado, su principal problema son sus emisiones, que, aunque menores que las del carbón o petróleo siguen siendo altas.

1.3.3.3

Centrales térmicas nucleares

Las centrales térmicas nucleares, o de fisión son aquellas centrales que utilizan el calor de fisionar átomos para producir energía. Aunque existen diversos tipos, todas tienen unos componentes básicos generales: una vasija, normalmente de acero en la que se introduce las barras de combustible y las barras de control; una turbina de vapor; un condensador, 9 https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton 10 https://es.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Rankine

donde el vapor de agua se condensa; y un ciclo de refrigeración, que puede contener una torre de refrigeración, o acceso a un cuerpo de agua. Las centrales también cuentan, con blindaje para aislar la radiación en caso de fallo catastrófico.

Estas son las centrales más complejas y caras, pero también las más seguras, debido a la necesidad de controlar la peligrosidad de su combustible. Existen diversos tipos de centrales nucleares. Pero en España solo existen dos tipos, ambos de agua ligera, las centrales de agua en ebullición (BWR) y las centrales de agua a presión (PWR), las centrales de agua en ebullición son más simples que las de presión y cuentan con dos circuitos: en el primer circuito (primario), el agua se calienta en el reactor y se convierte en vapor, que mueve la turbina de vapor y se enfría en el condensador; y el segundo circuito (secundario), en el que el agua condensa a la del primer ciclo y se calienta, pasando por torres de refrigeración donde se enfrían o un cuerpo de agua cercano. Las de agua a presión por su parte constan de tres circuitos: en el primer circuito (primario) agua presurizada se calienta por fisión del uranio y pasa por un generador de vapor antes de volver al reactor; en el segundo circuito (secundario), el agua se transforma en vapor al pasar por el generador de vapor y una vez en estado gaseoso pasa por una turbina de vapor, este vapor luego se condensa en el condensador y vuelve a esta líquido; el tercer circuito (terciario) se encarga de enfriar al segundo circuito y es igual al de las centrales de ebullición.

Ilustración 7: Diagrama de funcionamiento de los dos prinipales tipos de centrales térmicas nucleares

Las centrales nucleares tienen muchos veneficios, primero, son las centrales más densas energéticamente, además solo necesitan recargar el combustible cada 12 meses cómo poco,

también tienes muy bajas emisiones nocivas. Por otra parte, estas son con diferencia las centrales más caras de construir y aunque son instalaciones extremadamente seguras, su combustible debe ser manejado con extremada precaución, además de producir residuos radioactivos que se pueden mantener activos durante años.

1.3.4 Paneles fotovoltaicos

Los paneles fotovoltaicos son uno de los pocos métodos para obtener energía que no requiere de turbinas. La clave de su funcionamiento son las células fotovoltaicas Estas células están normalmente compuestas por silicio cristalino o por arseniuro de galio los cuales se mezclan con otros elementos cómo el fósforo o el boro para alterar sus propiedades energéticas, de esta forma, se crean una parte positiva y otra negativa. Cando la luz choca con los electrones los obliga a desplazarse hacia la parte positiva, generando así electricidad, que es corriente continua hasta llegar al inversor, que la convierte en corriente alterna.

Ilustración 8: Diagrama de funcionamiento de un panel fotovoltaico

Existen diversos tipos de paneles fotovoltaicos, pero los más eficientes y duraderos son los monocristalinos, que tiene una vida útil de 25 años. Los paneles solares fotovoltaicos tienen diversos beneficios, cómo sus baja emisiones nocivas y su versatilidad, que son de fácil instalación y de diversos tamaños. Sin embargo, no están exentos de problemas, siendo los más importantes el uso de materiales contaminantes en su construcción, su baja densidad energética y su dependencia de luz solar.

1.4 Unidades de medida

La principal unidad de medida de potencia es el vatio (W), un vatio es la potencia necesaria para producir un julio (J) por segundo (s). Esta unidad recibe su nombre de James Watt quien impulsó el desarrollo de la máquina de vapor. Los vatios hora (Wh) es una medida de energía que se consigue a partir de multiplicar la potencia (W) por el tiempo de trabajo (h), por lo tanto, una bombilla con una potencia de 1 W que esté encendida durante una hora, habrá consumido una energía de 3600 J.

Otra unidad usada comúnmente es la tonelada equivalente de petróleo (tep), esta es la energía que produce una tonelada de petróleo, aunque esta cantidad varía con la composición química, se usa un valor de 11630 kWh, esta unidad se use en referencia a los combustibles fósiles.

2. Objetivo e hipótesis

2.1 Objetivos

El principal objetivo de este trabajo es la creación de un modelo energético lo más sostenible posible que cubra las demandas energéticas españolas en un futuro cercano teniendo en cuenta el impacto medioambiental que generaría y los costes económicos relacionados con la producción energética.

Este proyecto también cuenta con dos objetivos secundarios, siendo estos probar la efectividad de las energías renovables como principales fuentes energéticas y estudiar el crecimiento del consumo energético en España en un futuro próximo.

Este tema está siendo constantemente estudiado por organizaciones tanto gubernamentales como no gubernamentales, al igual que por particulares debido a la importancia de encontrar un modelo energético que se acomode a las características de distintos países a la par que evite la destrucción y contaminación del planeta

2.2 Hipótesis

La hipótesis inicial es que el modelo energético más sostenible será uno basado en la energía nuclear debido a su alta densidad energética y su bajo impacto ambiental en comparación con otras fuentes de energía como puede ser el carbón o el gas natural.

También creo a priori, que las energías verdes no tienen la capacidad de cubrir la demanda energética por ellas mismas y que, aunque buenas para aportar un poco de energía extra en tiempos de necesidad, estas no deberían usarse como principal fuente energética. De la misma forma, creo a priori que, debido al estancamiento de la población en España, la demanda energética no va a crecer de forma significativa.

3. Metodología

1. Se toman datos de la producción energética en España entre 2013 y 2019

2. Se ordenan dichos datos en categorías

3. Se toman datos de las emisiones de CO2 de los distintos tipos de plantas

4. Se extraen los datos de emisiones totales de CO2

5. Se extraen datos de potencia instalada y numero de instalaciones

6. Se calculan datos de factor de planta

7. Se toman datos económicos (precio de construcción y coste de producción)

8. Se toman datos de la vida útil

4. Recopilación de datos

Para realizar este proyecto de investigación, la toma de datos, en este caso, energéticos y económicos. Los primero en ser tomados debido a su gran importancia fueron los datos de producción energética, en otras palabras, de donde procedía la energía que consumimos. Los datos elegidos fueron los procedentes de Eurostat, estos contaban con un amplio registro de datos anuales, lo que me permitió usar datos en el periodo de 2013 hasta 2019.

GWh 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Carbones 39941 43807 51366 36434 45127 37341 2284

GasNatural 57536 47273 52498 52820 64037 58004 84455

Petróleos 12863 14121 17241 16921 15766 14498 12654 Eólica 55646 52013 49325 48905 49127 50896 55591

Solar fotovoltaica 8326 8218 8266 8064 8514 7877 9354

Biocombustibles 5798 5414 5764 5689 6078 5899 5785 Nuclear 56726 57305 57196 58633 58039 55766 58448 Hidroeléctrica 40152 42970 31368 39865 20170 36803 26810 Otros 6843 7629 7887 7441 7968 7091 6830

Tabla 1: Produción anual de diversos tipos de energía

Kt CO2 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Carbones 35.468 38.901 45.613 32.353 40.073 33.159 2.028 Gas Natural 28.768 23.637 26.249 26.410 32.019 29.002 42.228 Petroleos 9.454 10.379 12.672 12.437 11.588 10.656 9.301 Eólica 1.391 1.300 1.233 1.223 1.228 1.272 1.390 Solar fotovoltaica 708 699 703 685 724 670 795

Biocombustibles 261 244 259 256 274 265 260 Nuclear 1.588 1.605 1.601 1.642 1.625 1.561 1.637 Hidroeléctrica 1.044 1.117 816 1.036 524 957 697

Tabla 2: Toneladas de CO2 emitidas por procedencia y año

Una vez obtenidos estos datos en bruto se ordenaron en varias categorías dependiendo de la procedencia de la energía. Las categorías seleccionadas fueron: Carbones, gas natural, derivados del petróleo, energía eólica, energía solar fotovoltaica, energía procedente de biocombustibles, energía hidroeléctrica, energía nuclear y otros. Este último grupo está compuesto por otras energías que no entran en las anteriores categorías y por eso no se obtendrán muchos datos relacionados con ellas. El paso siguiente fue representar las emisiones de CO2 de cada categoría, esto es una parte fundamental de este proyecto ya que una de las claves de la sostenibilidad es reducir las emisiones al mínimo.

9%

Carbones Gas Natural Petroleos

Eólica Solar fotovoltaica Biocombustibles Nuclear Hidroeléctrica

Ilustración 9: Porcentajes de procedencia de las emisiones de dióxido de carbono por procedencia

Tras esto, se decidió tener en cuenta la potencia instalada de las distintas formas de producción en España, la potencia instalada es el nombre que recibe la máxima cantidad de electricidad que puede producir una instalación, o en este caso un conjunto de ellas, en un momento determinado, tras eso, se decisión incluir el número de instalaciones de cada una de las energías, y se calculó una media para tener un valor de potencia instalada de una planta Para el valor de las hidroeléctricas se tomó un valor de 114 centrales

Tipo de planta Potencia instalada (MW) Número de unidades Potencia instalada media (MW)

Carbones 9.683,00 16,00 605,19

Gas Natural 26.284,00 34,00 773,06 Petroleos 2.447,00 16,00 152,94 Eólica 25.583,00 20.940,00 1,22 Solar fotovoltaica 15.048,00 62.469,00 0,24 Biocombustibles 1.078,00 400,00 2,70 Nuclear 7.398,77 7,00 1.056,97 Hidroeléctrica 17.099,00 1.300,00 13,15

Tabla 3: Potencia instalada y número de unidades construidas

Factor de Planta 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Carbones 47,09% 51,65% 60,56% 42,95% 53,20% 44,02% 2,69%

Gas Natural 24,99% 20,53% 22,80% 22,94% 27,81% 25,19% 36,68%

Petróleos 60,01% 65,88% 80,43% 78,94% 73,55% 67,63% 59,03% Eólica 24,83% 23,21% 22,01% 21,82% 21,92% 22,71% 24,81% Solar fotovoltaica 19,94% 19,68% 19,79% 19,31% 20,39% 18,86% 13,59% Biocombustibles 61,40% 57,33% 61,04% 60,24% 64,36% 62,47% 61,26% Nuclear 87,52% 88,42% 88,25% 90,46% 89,55% 86,04% 90,18% Hidroeléctrica 26,81% 28,69% 20,94% 26,61% 13,47% 24,57% 17,90%

Tabla 3: factor de planta de diferentes tipos de energía

Lo siguiente que se decidió calcular fue el factor de planta, este porcentaje se calcula dividiendolos gigavatios horaproducidos en unañoporla potencia instaladamultiplicados por un año y por 24 horas. Este porcentaje es bastante importante ya que representa con bastante exactitud la eficiencia de una central de determinado tipo. Estos cálculos mostraron que la energía más eficiente era con diferencia la energía nuclear ya que su factor de plata es de un 90% en 2019, al lado contrario del espectro se encuentran las centrales de carbón que en 2019 su factor de planta fue del 2,6% esto se debe casi con total seguridad

al cese de su funcionamiento previo a su cierre, ya que en teoría tenían una potencia instalada que prácticamente no se utilizó.

Precio Unidad €

Carbones 463.800.000,00

Gas Natural 463.800.000,00

Petróleos 463.800.000,00 Eólica 2.687.803,25 Solar fotovoltaica 720.000,00

Biocombustibles 6.737.500,00

Nuclear 4.000.000.000,00 Hidroeléctrica 25.761.200,00

Tabla 5: Precio construcción de diferentes instalaciones

Precio electricidad €/MWH

Carbones 240,00

Gas Natural 277,00

Petróleos 200,00 Eólica 60,00

Solar fotovoltaica 300,00

Biocombustibles 40,00

Nuclear 50,00 Hidroeléctrica 60,00

Tabla 4: Coste de producción eléctrica

Vida útil Años

Los siguientes datos que se extrajeron fueron el coste de producir energía y el precio de construir una unidad de producción. Conocer el coste del megavatio hora es de mediana importancia, ya que el coste de producción afecta directamente al precio de la luz y es la razón por la que los precios para consumo son tan altos con el sistema español actual. La energía más barata de producir resultó ser la producida con biocombustibles siendo esta aproximadamente 40,00€ el megavatio hora, mientras que la más cara resultó ser el gas natural. Por otra parte, el precio de construir una unidad de producción es muy importante para crear un modelo, ya que no cuesta lo mismo construir una central térmica de ciclo combinado que un aerogenerador. Los resultados de las búsquedas indicaron que la central nuclear es la más cara con diferencia, rondando los 5.000 millones de euros, por otra parte, lo más barato son los paneles solares con unprecio aproximadode720.000,00€porunidad, también cabe añadir que al no poder encontrarse el precio de las centrales de carbón y de derivados del petróleo, se toma el precio del gas natural cómo referencia debidos a sus parecidos de funcionamiento.

Carbones 25

Gas Natural 35

Petróleos 20 Eólica 25

Solar fotovoltaica 25 Biocombustibles 20 Nuclear 40 Hidroeléctrica 65

Tabla 6: vida útil de las distintas instalaciones

Por último, se consideró pertinente el contar con la vida útil de una instalación ya que no solo se necesita un tiempo para amortizar la instalación, lo que suele ser un largo periodo de tiempo, sino que una instalación que se mantenga en funcionamientodurante mástiempoevitarálos costes deconstruir una instalación nueva. Estos datos no son 100% exactos ya que la vida de las instalaciones depende del mantenimiento y en algunos casos puede ser alargada un periodo considerable.

5. Análisis de datos

Una vez extraída la información, se deben analizar los datos extraídos, para posteriormente extraer una conclusión. Lo primero que se puede analizar es la evolución del consumo de energía de las distintas fuentes.

En el gráfico se puede observar un drástico descenso en la producción por carbón entre 2018 y 2019, este descenso se debe al cierre de centrales de carbón, pero lo que puede resultar más interesante es el ascenso de otras fuentes para cumplir la demanda, principalmente gas natural pero también eólica y solar.

Año Carbones Gas Natural Petroleos Eólica Solar fotovoltaica Biocombustibles Nuclear Hidroeléctrica Otros

Ilustración 10: Variación de la producción energética en los últimos años

Otra observación importante es el lento descenso de la hidroeléctrica, lo cual es fácilmente adjudicable al cambio climático, por lo cual se puede dar por seguro que continuara en descenso en los próximos años.

También nos podemos percatar del mínimo cambio que ha sufrido la demanda eléctrica en los últimos años, por lo cual también podemos intuir que se mantendrá estable durante los próximos años, esto probablemente se deba al estancamiento del crecimiento de la población es España.

Ilustración 11: Emisiones de CO2 causadas por producción eléctrica

Con respecto a las emisiones de CO2 se puede observar un descenso de las emisiones de CO2 tras el cierre de las centrales de carbón, esto se debe a que el principal sustituto del carbón, es el gas natural, el cual tiene unas emisiones de poco más de la mitad de las de carbón. Aun así, el sistema eléctrico español sigue sin estar

optimizado para reducir las emisiones, y existe un gran margen de mejora, por otra parte, se puede ver que se está intentado reducir las emisiones, lo cual siempre es bueno.

Estudiando la potencia instalada, se puede observar lo variada que es, lo cual se podría considerar como algo positivo o negativo, por una parte, esta variabilidad evita la dependencia energética en un solo recurso, pero por otra esa falta de una energía basal que suministre gran parte de la demanda puede causar problemas de abastecimiento si un recurso falta.

Potencia instalada (MW)

200,00 400,00 600,00 800,00 1.000,00 1.200,00

Tipo de energía

Ilustración 10: potencia instalada media de distintas instalaciones

También viendo la potencia instalada media se puede apreciar que hay una gran diferencia entre las fuentes renovables y no renovables, siendo las centrales hidroeléctricas las únicas que individualmente tienen una potencia instalada considerable. Esto no impide, sin embargo, que las energías renovables sean tomadas en cuenta, ya que cuentan con una cantidad de instalaciones mucho más grande, además su reducido tamaño les permite ser más versátiles a la hora de ser construidas, además de hacer las instalaciones fácilmente escalables

Número de instalaciones energéticas en España Solar fotovoltaica Eólica Hidroeléctrica Biocombustibles Otras

Ilustración 11: número de instalaciones de producción energética en 2019 De hecho, como se puede observar en estos gráficos, las instalaciones renovables ocupan la gran mayoría de instalaciones, lo que muestra su versatilidad. El factor de planta representa la eficiencia de una central o un conjunto de centrales y se

rige por la ecuación

100,00%

80,00%

60,00%

40,00%

20,00%

0,00%

2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

Carbones Gas Natural Petroleos Eólica Solar fotovoltaica Biocombustibles Nuclear Hidroeléctrica

Ilustración 12: variación del factor de planta en los últimos años

, esta ecuación es la mejor forma de mostrar la verdadera eficiencia de una central y observando la gráfica, Se puede observar cómo el factor de planta se mantiene estable en la gran mayoría de instalaciones, menos en el carbón, donde se puede apreciar el cierre, pero todavíanoseharealizadoel desmantelamiento de las centrales térmicas de carbón, por lo que su potencia instalada seguía siendo la misma, mientras que su producen disminuyó drásticamente.

1%

Carbones Gas Natural Petroleos Eólica Solar fotovoltaica Biocombustibles Nuclear

Ilustración 13: porcentaje de dinero invertido en producción energética

Respecto al coste de producción de energía, se puede observar que gran parte del precio provenía del gas natural, lo cual sumado al sistema del precio de la luz en España es el causante de los altos precios

Como sepuede observar, el 63%del dinero invertidoenproducir electricidadfuedestinado al gas natural, que apenas cubre el 25% de la potencia instalada total.

Por otra parte, observando el precio de construir una instalación, destaca el alto precio de las centrales nucleares, debido seguramente a la seguridad tanto de la instalación cómo los trabajadores. Para mostrar los precios en iguales condiciones, se calculó el precio por cada 1 000 MW de potencia instalada en el cual los valores son más parecidos, y se puede observar que las más baratas por cada 1 000MW son el gas natural y el carbón.

Tabla 7: precio de construcción de plantas para producir 1000 MW

6. Conclusiones

Desde un punto de vista ecológico, la fuente de producción menos contaminante por gigavatio hora producido es la eólica, seguida de cerca por la hidroeléctrica, la térmica nuclear y los biocombustibles, por otra parte, las más contaminante es la térmica de carbóny latérmicadefuelóleo,siendolaterceramáscontaminanteel gas natural,seguido por la fotovoltaica. Esto no es del todo cierto, ya que cuando se tiene en cuenta los gigavatios totales producidos en su vida útil, la que menos emisiones genera es la energía fotovoltaica con un total de 609.571 toneladas de CO2 en su vida útil de 25 años y la eólica, con una emisión total de 1 659 234 toneladas de CO2 Con su vida útil de 25 años, esto también causa que energías con una larga vida útil y un factor de planta alto, produzcan más emisiones en comparación con otras.

Teniendo esto en cuenta se puede concluir que desde un punto de vista ecológico, las mejores fuentes de energía serían la eólica debido a los factores anteriormente mencionados, ya que los aerogeneradores tiene un factor de planta de aproximadamente un 25%, prácticamente el doble que los paneles fotovoltaicos y unas emisiones por gigavatio de 25 toneladas de CO2; y la hidroeléctrica, con una factor de planta del 18%, pero con una vida útil de en torno a 65 años y unas emisiones de 26 toneladas.

Desde un punto de vista energético la más eficiente con diferencia es la energía nuclear, con un factor de planta del 90%, siendo la segunda más eficiente los biocombustibles, con un factor de plantadel61%,por

otra parte, el tipo de central que tiene una mayor potencia instalada media es la nuclear, con una potencia instalada media de 1.056 MW esto, combinado con una larga vida útil de más de 40 años hace a la energía nuclear la energía más eficiente con una producción total en su vida útil de 334 miles de gigavatios

Planta Precio Planta (€) Costes (€/MWh) Precio 1000MW (€)

Carbones 463.800.000 240.000 766.374.058 Gas Natural 463.800.000 277.000 599.954.345

Petroleos 463.800.000 200.000 3.032.611.361 Eólica 2.687.803 60.000 2.200.000.000 Solar fotovoltaica 720.000 300.000 2.988.947.368 Biomasa 6.737.500 40.000 2.500.000.000 Nuclear 4.000.000.000 50.000 3.784.412.815 Hidroeléctrica 221.761.200 60.000 1.478.494.462

Tabla 11: Precios y costes de producción de diversas plantas de producción

Por último, desde un punto de vista económico, la energía que menos cuesta producir son los biocombustibles, con un coste de aproximadamente 40,00€ el megavatio hora, seguido por la energía nuclear con un coste de en torno a 50,00€ el megavatio hora, en tercer lugar, está la energía eólica e hidroeléctrica, ambas con un coste alrededor de los 60,00€ por megavatio hora. En el lado opuesto del espectro se encuentra la energía fotovoltaica con un coste de producción de 300,00€ por megavatio, seguido por el gas natural con un coste de producción de 277,00€ por megavatio hora, el carbón y los derivados del petróleo, con costes de 240,00€ y 200,00€ respectivamente. Otro factor importante a tener en cuenta es el precio de una planta de producción energética, para compensar por la diferencia de producción, se ha tomado el precio de lo que costaría tener una potencia instalada de 1 000MW. Cabe resaltar que al no haber podido encontrar el precio de construcción de una central térmica de carbón ni de fuelóleo, se ha tomado como valor el de una central de gas natural, debido sus parecidos con las otras dos centrales térmicas. Dicho esto, la instalación más barata es la central térmica de gas natural con un precio de aproximadamente 600 millones de euros, seguida por el precio de una instalación de carbón, estando está en torno a los 765 millones de euros, tras esto, las centrales hidroeléctricas tienen un coste aproximado de 1.478 millones de euros. en el otro extremo del espectro se encuentra la energía nuclear, con un coste de aproximadamente 3.784 millones de euros.

Habiéndose tenido en cuenta todos estos puntos de vista y todos los factores expuestos se puede proceder con la creación del modelo: Primero de todo se van a descartar todas las plantas de producción con emisiones mayores a 100 toneladas de dióxido de carbono por

gigavatio,unavez hecho esto, vamos a descartarlas plantas con unfactor de plantamenor al 15% y las plantas con costes de producción mayores a 200,00€ por megavatio. Para calcular el y las emisiones de este modelo se tendrá en cuenta los siguientes factores: La energía basal deberá de poder cubrir el 100% de la energía producida en la península y el 100% de la producida de forma extrapeninsular, dato que no ha aumentado de valor significativo en los últimos años y daremos por hecho que se mantendrá así, se tomarán valores del 2020. Las energías de reserva deberán cubrir el 20% de la demanda energética en total. Para nuestra energía basal se debe de seleccionar una fuente que cumpla los dos principales criterios: alto factor de planta y alta producción energética, además, la fuente seleccionada debe de tener un suministro fiable para que pueda soportar gran parte de la demanda energética, por esto último se descarta la energía hidroeléctrica, ya que el agua cada vez escasea más, por lo que la mejor energía para esto es la nuclear para la península, y las centrales de biocombustible fuera de la península, ya que aunque emitan más dióxido de carbono, son baratas y eficientes. Para las energías suplementarias se ha seleccionado la energía eólica, por sus bajas emisiones, bajo precio y por su relativamente alta potencia instalada; y las centrales de biocombustibles por lo anteriormente mencionado. Una vez hechos los cálculos y elegidas nuestras fuentes de producción pasamos a la conclusión:

Para cubrir la demanda energética, se requeriría la construcción de un total de 31 centrales nucleares, 1.735 centrales térmicas de biomasa en la península y otras 867 fuera de ella, además de 9.450 aerogeneradores. Todo esto tendría un precio total de 187,23millonesdeeurosequivalenteal14,6%del PIBdeEspañaen2020, perotendrían unas emisiones anuales de dióxido de carbono menores a 6 millones de toneladas, más de 10 veces menos de las emitidas en 2019. Ahora quitemos el coste de las centrales ya creadas, y aquí vemos un problema con el planteamiento anterior, existen actualmente más aerogeneradores de los necesarios en el modelo, por lo que en vez de tener una proporción del 10% de eólica y 10% de biocombustible, tendremos una proporción del 20% de aerogeneradores y un 0% de biocombustibles ya que actualmente existe en España suficientes aerogeneradores para cubrir esa demanda, por lo tanto, esto no solo reducirá el precio del modelo, sino que también reducirá las emisiones considerablemente. Teniendo esto en cuenta pasaremos a la conclusión final:

Para cubrir la demanda se necesitarán 31 centrales nucleares, con un precio de construcción de 115.212 millones de euros, 18.900 aerogeneradores, con un precio de construcción nulo, ya que están todos construidos, y 867 centrales térmicas de biocombustible con un precio de 5.837 millones de euros. Todo esto tendría un precio total de 121.048 millones de euros, que equivaldría al 9,45% del PIB español en 2020 y tendría unas emisiones anuales de dióxido de carbono de menos de 9,1 millones de toneladas, algo menos de 6,5 veces que las emisiones en 2019.

Energía eólica Biocombustibles Energía nuclear

Ilustración 14: Porcentajes de procedencia de electricidad en el modelo propuesto

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• Portada: < https://es.wikipedia.org/wiki/Embalse_de_Alc%C3%A1ntara>

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• Portada: < https://www.latribunadealbacete.es/Noticia/ze1ade437-0e36-2e5cc4b649a7b30dd5ac/202101/Albacete-tendra-nuevas-instalaciones-de-energialimpia>

• Ilustración 1: <https://curiosoando.com/cual-es-la-diferencia-entre-corrientealterna-y-continua>

• Ilustración 2: < https://www.areatecnologia.com/La_dinamo.htm>

• Ilustración 3: < https://www.areatecnologia.com/electricidad/energia-eolica.html>

• Ilustración 4: https://ingeoexpert.com/2018/03/22/como-funciona-una-centralhidroelectrica/>

• Ilustración 5: < https://www.areatecnologia.com/electricidad/centralestermicas.html >

• Ilustración 6: < https://sites.google.com/site/ctermicaciclocombinadoir/home/2funcionamiento>

• Ilustración 7: < https://www.researchgate.net/figure/Difference-of-principlebetween-BWR-and-PWR-In-BWR-the-water-heated-in-the-RPVdirectly_fig1_281268922>

• Ilustración 8: <https://www.helioesfera.com/diagrama-sistema-fotovoltaico/>

Todas las ilustr aciones y tablas no mencionadas anteriormente son de elaboración propia.