Cuanta más nuclear, más renovables

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Uno de los grandes debates de cómo afrontar la transición energética que nos salve o, al menos, mitigue los impactos del cambio climático, es si contar con la energía nuclear, o sólo con renovables y almacenamiento o gas de respaldo. Los antinucleares lo suelen ser por principios, con la convicción de que es mejor para el planeta un escenario exclusivamente con energías renovables, pensando que:

  • contaminan menos (CO2),
  • no dejan residuos peligrosos durante miles de años, que además habrá que custodiar a perpetuidad,
  • no tienen riesgo de accidentes mortales o de contaminación por radiación de una zona,
  • no presentan riesgos de proliferación de armas nucleares,
  • podría acabarse el uranio, pero no faltarán minerales para las renovables,
  • las renovables son autóctonas, no dependientes de importaciones extranjeras,
  • la energía eólica y la solar se complementan bien para garantizar el suministro eléctrico durante muchas horas, y con algo de almacenamiento se garantiza el suministro las horas restantes,
  • son más baratas por MWh producido,
  • sobre su Tasa de Retorno Energético… ¿…qué es la TRE y porqué debería importarnos?

1) Contaminación de CO2

Sobre las emisiones de CO2, para cualquier indicador por tecnología que busquéis, son muchas las fuentes de información con resultados muy diferentes. Existen algunas fuentes en las que las EERR tienen menor factor de emisión (gramos de CO2 por kWh) que la nuclear, si bien están generalmente ligeramente por encima, con la eólica en el rango 15-30, la fotovoltaica en 20-50, la nuclear en el rango 6-25, y en todos los casos muy por debajo del carbón (800-1000) o incluso del gas (370-450). Para la energía nuclear, veo bastante consenso por debajo de los 10 gCO2/kWh, si bien organizaciones antinucleares en Alemania reflejan hasta cerca de 100 gCO2/kWh. Estas emisiones de renovables y nuclear se deben principalmente al petróleo utilizado en la construcción así como en la minería asociada, que no olvidemos es muy consumidora de gasoil para maquinaria; hay un rango del factor de emisión final a veces amplio en la literatura, pues depende de hasta dónde se remonte en el análisis de gasolina consumida, o de la producción exacta del aeorogenerador o el panel en función del recurso energético primario.

También es relevante reflexionar sobre el uso del terreno, que cobrará cada vez más importancia en el futuro para reforestar o para agricultura. Por no mencionar la deforestación causada en determinadas zonas del mundo. Una nuclear española como Trillo ocupa unas 35 hectáreas por TWh anual de producción, mientras que para la fotovoltáica obtengo unas 1000, es decir 28 veces más (en emplazamientos con 2 reactores como Almaraz o Ascó, la diferencia es aún superior). Suplir la energía anual producida por un reactor nuclear con fotovoltaica ocuparía unos 80 kilómetros cuadrados; es preciso entender el uso alternativo del terreno o incluso si éste se ha deforestado, para comparar emisiones resultantes. En este aspecto es muy positivo el uso de los tejados para autoconsumo, a cambio eso sí de reducir la producción anual y el TRE (del cual hablo más adelante). En España, por cierto, no tendremos a priori problema de superficie para instalación de renovables, dada la escasa densidad de población, ni necesidad de deforestar zona alguna. No obstante, sí hay zonas cultivables que cambian su uso por el mayor alquiler para uso energético.

En resumen, las renovables no emiten menos CO2 que la nuclear sino ligeramente más, concretamente el doble o el triple, aunque están en el mismo orden de magnitud, que es en todos los casos muy muy inferior a las tecnologías térmicas.

 

2) Residuos peligrosos

Sobre los residuos peligrosos, efectivamente las EERR no emiten partículas radiactivas durante 10.000 años. Pero debido a la altísima intensidad energética de la energía de fisión, los residuos nucleares de alta actividad y larga vida tienen un volúmen extremadamente bajo en comparación con cualquier otro deshecho que produce nuestra sociedad, en orden de magnitud 1 gramo por persona y año en España (de material muy denso y poco voluminoso); los de baja y media actividad tienen mayor volumen total pero vidas medias mucho más cortas. Ojo porque las renovables utilizan mucho más metal por MWh producido, lo cual a su vez genera residuos químicos y destroza más el planeta por su minería y su mayor uso de terreno (lo cual en muchas zonas no es problemático, pero otras conlleva deforestación o pérdida de espacio para ecosistemas). Hay confusión sobre la necesidad de ’custodiar’ estos residuos; la idea de los Almacenamientos Geológicos Profundos (AGP) es precisamente almacenarlos en zonas geológicamente estables sin necesidad ni posibilidad de acceso ni custodia humana, donde por cierto estarán debidamente aislados y donde habrán perdido el grueso de su actividad en las primeras decenas de años sin fugas al exterior de sus contenedores.

También es importante entender que escenarios basados en renovables sin nuclear tienen necesariamente mucho más consumo de respaldo en plantas de carbón o gas, y ese CO2 adicional es un residuo desconfinado, con también 10.000 años de vida (realmente hay una absorción o transformación gradual por la biosfera, y en 10.000 años sigue quedando un porcentaje por la atmósfera). Un CO2 que deberá capturarse del aire en cantidades absolútamente astronómicas, ocupando volúmenes astronómicos para cumplir el famoso ’net zero’, y lo que es menos conocido, ir hacia emisiones netas negativas pasado el año 2050 en línea con los escenarios de cumplimiento de 2ºC. Y que luego deberá custodiarse durante también 10.000 años.

En resumen, las renovables emiten muy poco CO2 en sí y ningún residuo nuclear, pero el problema es que los escenarios sin nuclear conllevan muchas más emisiones de CO2 desconfinado y extremadamente problemático para el Medio Ambiente y el cambio climático y todos sus riesgos asociados (biodiversidad, sequía, migraciones masivas etc.).

 

3) Accidentes mortales

En cuanto al menor riesgo de muertes por unidad de energía producida, de nuevo hay muchas fuentes. Una de ellas estima muy similares las muertes asociadas a eólica, fotovoltaica y nuclear (incluyendo Chernobyl, que por diseño hoy no se podría repetir en ninguna central del mundo). Por cierto, todas las anteriores tienen un índice dos órdenes de magnitud inferior a la hidráulica, gas o biomasa, y tres órdenes de magnitud inferior a las tecnologías térmicas principalmente por su contaminación del aire. La OMS estima las muertes prematuras por contaminación del aire en 7 millones de personas cada año!

https://ourworldindata.org/grapher/death-rates-from-energy-production-per-twh?country=Biomass~Brown+coal~Coal~Gas~Hydropower~Nuclear~Oil~Solar~Wind

4) Proliferación de armas nucleares

Efectivamente, ese riesgo está ahí. Pero es preciso entender que el uranio se enriquece (incrementar su concentración del uranio físil, el isótopo 235, en proporción al 238 que es mayoritario en la naturaleza) desde el 0,7% en el uranio natural hasta el 3-5% en reactores comerciales de generación II y III, mientras que la bomba nuclear requiere un enriquecimiento de más de 90%. La diferencia es enorme en esfuerzo técnico y económico. Y sobre todo, hay que querer una bomba nuclear, y no es necesario tener nuclear comercial para construirla (varios países la tienen o han tenido sin reactores nucleares).

 

5) Existencias de recurso primario agotable

Hay cierta preocupación por la disponibilidad de recurso, con cifras generalmente inferiores a 100 años de reservas de uranio para el ritmo actual, o incluso sólo algunas décadas para determinados autores. Pero hay muchas fuentes de extensión del recurso. Por ejemplo, existe la posibilidad de extracción de uranio del mar; muy caro por su baja concentración, pero el coste del uranio es en cualquier caso bajo frente al coste de la construcción y el propio coste del capital. Por otra parte, existe la posibilidad tecnológica de construir ’reactores reproductores rápidos’ (una de las varias especificaciones típicas de diseño de los a veces llamados de Generación IV), con tecnología de ’neutrones rápidos’, que generan dentro del reactor más combustible del inicial a partir de isótopos no ’fértiles’ de inicio. Esta tecnología, de la que hay o ha habido una veintena de reactores experimentales (en ocasiones con entrega comercial de electricidad), y Rusia tiene hoy dos reactores comerciales, alarga a algunos miles de años la vida de las reservas conocidas de uranio y torio, al permitir un uso casi completo de todo el mineral en lugar de utilizar únicamente ese 0,7% físil que presenta la naturaleza. El torio es otro mineral disponible en cantidades muy superiores al uranio, que podría ser el combustible sustitutivo (en centrales nuevas a construir).

Varios países tienen en desarrollo proyectos de reactores de neutrones rápidos de demostración o comerciales, con China y Rusia a la cabeza, y probablemente esta sea la gran baza nuclear para jugar un papel creciente en este siglo. Si queremos, e invertimos el (enorme) capital, hay teóricamente potencial energía nuclear de fisión para milenios; aunque cierto que esos nuevos reactores a escala tardaríamos décadas en construirlos, con importantes retos regulatorios y sociales y de capacitación.

Por último, el recurso eólico y solar sí es inagotable, pero no así los minerales que necesitan ser extraídos de la Tierra, ni el suelo que requieren.

 

6) Recurso autóctono

El sol y el viento son autóctonos, sí. El problema es que si el uranio no lo es, tampoco lo son el hierro, el aluminio, el cobre, el litio, cobalto, molibdeno, zinc, manganeso… Y las EERR resultan necesitar 10 veces más de estos minerales por MWh producido, sobre todo cobre, zinc, manganeso, que suman 120 ton/MWh para las renovables frente a 12 ton/MWh para la nuclear. En el caso de los minerales de mayor uso, que son el hierro y aluminio, hablamos de otras 1200-1400 ton/MWh para las renovables frente a 130 ton/MWh para la nuclear.

https://world-nuclear.org/information-library/energy-and-the-environment/mineral-requirements-for-electricity-generation.aspx(incluye referencias a estudios de la AIE)

Este asunto de la dependencia de minerales es especialmente relevante a la hora de escoger tecnologías de generación, cuando la Transición Energética necesita multiplicar del orden de x4 la demanda anual de minerales de aquí a 2040. En el caso del niquel, cobalto o grafito esta cifra asciende a x20 (!!!), y en el caso del litio asciende hasta x40 (!!!!!!!!!!) cuando Elon Musk ya está hoy alejándose del litio para sus baterías por falta de capacidad de extracción. Y eso, ante una probable bajada de concentración en los yacimientos, y por tanto necesidad creciente de grandes cantidades de petróleo y agentes químicos y agua para su extracción y procesamiento, y ante un control casi total de China sobre la cadena de suministro de estos minerales.

Mi conclusión personal es que cuanta más energía nuclear se produzca en el mundo, notablemente en China, Rusia, Pakistán, Corea, EE UU etc. y también en Europa, más minerales quedarán disponibles para desarrollar energías renovables como complemento (generalmente dominante) de las matrices energéticas.

 

7) Almacenamiento de respaldo

Se habla mucho del almacenamiento como respaldo de las renovables, con lo que estoy plenamente de acuerdo. El problema a analizar bien es que, ante periodos de bajo recurso eólico o solar, incluso gran potencia instalada eólica y solar no permite cargar los almacenamientos con renovables. En esas situaciones, los almacenamientos se cargarían con potencia térmica, y una consiguiente pérdida de rendimiento y aumento de emisiones respecto a tener directamente suficiente potencia térmica de respaldo. O bien, de quererse depender realmente de renovables y almacenamiento en altísimo porcentaje, son precisas elevadísimas potencias renovables y de almacenamiento, con mucho vertido de recurso renovable y poco uso anual de algunos almacenamientos, así como desarrollos regulatorios no menores.

A título indicativo, una potencia de respaldo exclusivamente en plantas de almacenamiento precisaría un ritmo de construcción endiablado, del orden de 2 centrales de bombeo hidráulico reversible cada año, durante toda una década, similares a la que Iberdrola está terminando en Portugal en el río Támega y que habrá tardado más de 10 años en desarrollar con más de 1000 millones de euros de inversión.

8) Coste

Se habla mucho del LCOE (Levelized Cost of Energy, o coste medio a lo largo de su vida) como indicador de coste, el cual efectivamente es mucho más bajo para la fotovoltaica y eólica en casi todas las partes del mundo. En ocasiones hasta 5 veces más barata.

El problema es que el LCOE no vale como indicador único, de la misma manera que no es útil el coste por kilómetro recorrido en una bici o en un coche. El LCOE es útil para escoger cómo sustituir los primeros megavatios hora térmicos por la renovable más barata disponible. Pero cuando empieza a subir la penetración renovable, lo que importa es el coste total de un escenario u otro, incluyendo en el escenario con muchas renovables aquellos costes adicionales para tener un sistema seguro.

“Pues añadamos un poco de almacenamiento”, pensaréis algunos, pero ahí está el punto anterior.

Con todo, si se complementan eólica y solar como estamos haciendo en España, y tramitamos a buen ritmo sin rechazo social creciente, y desarrollamos almacenamiento a un buen ritmo, y si no escasean los minerales a nivel mundial, y desarrollamos varias interconexiones con Francia (de las que tardan 10 años cada una de acuerdos políticos y tramitación y construcción), e integramos decenas de millones de vehículos eléctricos y decenas de Gigavatios de capacidad de electrólisis para producción de hidrógeno tras haber reconvertido a toda la industria asociada (¡¡¡…!!!), hacia 2040 podríamos tener 90% de penetración renovable eléctrica en España, sin nuclear, y subiendo.

Pero ojo al coste de ese sistema, que será muy superior al LCOE solar o eólico de 20-30€/MWh que podáis tener en mente a día de hoy.

Sobre los costes nucleares, no confundir los costes de operación de centrales amortizadas (en el entorno de 40€/MWh sin tasas o hasta 50-60€/MWh con todas las tasas que queráis y costes de extensión de vida útil), con los costes de centrales nuevas. A su vez, los costes de centrales nuevas son muy dependientes de cuántas centrales se construyan en serie, y aún más del entorno regulatorio en que se construyan por su impacto en el coste del capital. Creo que no tiene sentido construir centrales nucleares con riesgo de mercado, lo cual dispara el coste a más de 100€/MWh. Por lo que si un país quiere apostar por la nuclear para una parte de su matriz energética, también debería apostar por un entorno de ingresos regulados como medio para bajar los costes totales a niveles inferiores a los ~60€/MWh (firmes, gestionables y descarbonizados).

9) Tasa de Retorno Energético (TRE)

Este indicador es altamente desconocido, incluso en la comunidad de profesionales de la energía. Se calcula sencillamente como el ratio entre la energía que produce una instalación a lo largo de su vida, y la energía invertida en desarrollarla.

Tiene muchas utilidades este cálculo, no económico sino energético. Cuenta, independientemente del coste económico (que se podría pensar que es ilimitado en el mundo desviándolo de otra actividad), cuánta de la energía disponible debemos reinvertir en producir más capacidad de seguir produciendo energía.

Si bien un razonamiento simplista podría sugerir que es suficiente con que este ratio sea superior a 1 (devuelve más energía de la que requiere su construcción), en realidad debe ser superior a entre 7 y 10, puesto que esa energía es la que mueve la economía entera. Si este ratio se aproximase a 1, no dispondríamos de energía para nada más.

Según diversos estudios, muy complejos, diversos y no siempre concluyentes, países con mix más basados en hidrocarburos están en TRE medios próximos a 40, mientras que países más basados en renovables están más cerca de 25. Esto es el promedio de muchas tecnologías, cuyos TRE y evoluciones futuras es preciso entender.

(entre muchas referencias consultadas, tomo como ejemplo este artículo reciente https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2117/353221/implementation-of-the-energy-return-on-investment-eroi-into-the-energyscope-td-model.pdf?sequence=1&isAllowed=y )

Los antiguos petróleos, los mejores y más baratos, tienen TRE superiores a 100, son extremadamente eficaces. Pero están estructuralmente en declive a nivel mundial desde 2005, y nunca más volverán a subir. Los nuevos ’petróleos’ de fracking o tierras bituminosas, que han permitido una senda de ’petróleo’ equivalente total creciente, son otra historia, con TRE inferiores a 10, en algunos casos hasta 5, por el grandísimo esfuerzo físico de perforación, fractura de la roca, inyección de gas, tratamiento etc.

El carbón y gas suelen tener referencias de 30-40.

La energía nuclear presenta un rango de 30 a 70, con bastante consenso en torno a 50.

Las EERR presentan TRE de en torno a 20 para la eólica, y próxima a 10 para la fotovoltaica. Algunos estudios bajan la fotovoltaica a cifras incluso inferiores a 5, o con algunas tecnologías de módulo e instalaciones en tejado hasta 2 (buscad en Google la fuente que prefiráis sobre ’Energy Returns On Investment’, y ante cifras muy dispares entre estudios, sugiero quedarse con los valores relativos entre tecnologías para un mismo estudio). Sobre todo, es interesante e inquietante reflexionar que estas TRE relativamente interesantes, 20 la eólica y 10 la solar, a priori suficientes para mantener la actividad económica de una sociedad moderna, dependen del petróleo barato para su fabricación. No está claro cuánto bajará el TRE de estas renovables en un entorno de petróleos de menor calidad, y sí está claro que estos TRE también decrecen si se les imputa el almacenamiento asociado.

Adoptemos como hipótesis ilustrativa (mía, en base a referencias de países similares) que hoy los países como España probablemente tengan TRE medio en el entorno de 30-40; esto quiere decir que virtualmente dedicamos cerca de 3% de la energía disponible a producir energía. Con hipótesis optimistas hacia las renovables de 20 para la eólica y 10 para la solar, estas cifras quieren decir que si cambiásemos ’overnight’ todo nuestro mix energético por energías renovables nuestro TRE medio aproximadamente se reduciría a la mitad. O dicho de otra manera, pasaríamos a requerir que 6% de nuestra energía se dedique a producir tal mix; a su vez, si la cantidad de energía disponible en hidrocarburos es la que es, esto implica que habrá sido necesario ’desviar energía’ de otros sectores de la economía, que como consecuencia habrá crecido a menor ritmo o incluso habrá tenido que decrecer.

Otra manera de ilustrar cualitativamente lo anterior es explicar la falacia sobre la energía solar que recibe el Sáhara, que efectivamente supera en mucho el consumo eléctrico o incluso el consumo energético mundial. Lo anterior explica que si bien el recurso primario es teóricamente suficiente para abastecernos con energía solar, y más aún con solar y eólica combinadas, deberíamos invertir grandes cantidades de la energía disponible en construir ese mix, y esto es suponiendo que hay metales suficientes y suficiente capacidad de extracción anual. Recordad el cobre, el niquel, el cobalto, el litio… Pues bien, habida cuenta de que se presenta difícil seguir incrementando la capacidad total de ’petróleo equivalente’ por encima de los actuales 100 mbd (millones de barriles diarios), y que en cualquier caso la TRE de ese petróleo total seguirá siendo en promedio decreciente, no tendríamos energía suficiente para construir todos esos paneles solares en el Sáhara sin decrecimiento económico.

Probablemente se llegase a la misma conclusión si a este análisis se le da un enfoque puramente económico; lo cual de entrada ni siquiera me gusta porque la economía se puede permitir -aunque no debería- hipótesis de disponibilidad infinita de recursos sustitutivos olvidando el flujo físico y los minerales asociados.

Los más perspicaces o los previamente ilustrados en la cuestión de las Tasas de Retorno Energético de nuestro sistema productivo, y las perspectivas de su evolución, podrán empezar a atar cabos sobre los grandes problemas que se derivan de estar metidos en un gran ’esquema Ponzi energético’. Pero no me centro en ello, por hoy. También reitero que los complejos estudios de TRE tecnológicos son muy variados, y las conclusiones deben por tanto tomarse con cautela hasta que los investigadores converjan hacia ciertos consensos.

 

Conclusiones

Mi conclusión de todo lo anterior es que cuanta más energía nuclear se desarrolle en el mundo, más espacio y recursos físicos y económicos y energéticos quedarán disponibles para seguir desarrollando energías renovables, que deben copar sin duda una creciente fracción de nuestra matriz energética. Matriz energética que además es creciente, por creciente electrificación y producción de hidrógeno, creciente población mundial, y creciente renta per cápita incluso a población estable.

La energía nuclear permite:

– aprovechar mucho más los hidrocarburos disponibles para otros sectores del PIB, por su TRE muy superior a las renovables e incluso a otras tecnologías térmicas.

– consumir del orden de 10 veces menos minerales por megavatio hora eléctrico, que quedan ’liberados’ para el desarrollo de renovables, vehículos eléctricos, cadena logística del hidrógeno, biogases etc.

– reducir las emisiones de GEI incluso más que desarrollando renovables, y con ello mitigando un cambio climático que nos obligará a destinar crecientes recursos económicos para combatirlo y adaptarnos.

– confinar los residuos de manera muy controlada y en muy pequeños volúmenes, en comparación con el CO2 adicional desconfinado de los escenarios alternativos en que las renovables son complementadas por gas u otros hidrocarburos.

– contener precios de la energía ante posibles alzas del gas y el CO2 como la que estamos atravesando, dotando a la factura energética de más estabilidad en un nivel asumible dada nuestra ambición de electrificar y de descarbonizar la economía (recordemos que el precio final medio de la energía en cualquier caso nunca será el LCOE eólico ni solar, y que debemos cuestionar la tradicional hipótesis de disponibilidad infinita de minerales y de un coste decreciente a perpetuidad).

Habida cuenta de que la energía nuclear tiene muchos topes físicos, económicos y sociales en muchas partes del mundo, las renovables deben jugar un importantísimo rol, muy superior al que debe jugar la nuclear. Pero es que si la nuclear debería multiplicar probablemente por 4 su producción durante este siglo para quedarnos en la senda de 2ºC en linea con los objetivos de Paris, las energías renovables probablemente deban multiplicar su producción más bien por más de 10. Y por lo expuesto en este artículo, lo segundo se me antoja imposible sin lo primero.

En resumen, opino que cuanta más nuclear, más renovables (y viceversa, cuanta menos nuclear…).

 

Javier Revuelta, Senior Principal de AFRY Management Consulting en Madrid.

Javier Revuelta es Senior Principal en AFRY, empresa multinacional de servicios de ingeniería, diseño y consultoría, en las áreas de sostenibilidad y digitalización. AFRY Management Consulting es líder en servicios para el sector energético europeo.

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