Note for English readers: In this link , the conceptual content of
the presentation I gave in CSP-Today South Africa (Pretoria 2/2013) ‘CSP as a
cornerstone for renewable energy systems: A development opportunity window with
expiration date’, dealing with the same subject from this post about the role
of CSP in the development of renewable energy systems, can be downloaded. The
file to download from the link above is ‘CSP_today_SF_2013_XGC_5.pdf’, which
may be found at the bottom of the web site.
La CSP, por sus características únicas respecto a otras
tecnologías renovables, puede
desempeñar un papel muy relevante en la transición del sistema energético hacia
la sostenibilidad, especialmente en países con DNI (irradiación normal directa)
suficientemente elevada como es España (con el desarrollo de superredes países
sin recurso elevado de DNI también podrían beneficiarse de esta tecnología para
su transición). Sin embargo, no hay ninguna garantía de que este ‘puede’ llegue a cristalizarse, existiendo
múltiples opciones de la trayectoria a seguir en este proceso de transición. De
hecho, la CSP cuenta con una ventana de oportunidad con fecha de caducidad para
cristalizar su potencial contribución a la transición y al mix energético del
futuro, y de no aprovecharla, su nicho de mercado (o participación potencial en
mix generación futuro) y su contribución a la transición energética pueden verse
fuertemente limitados. Si esto sucediese, las repercusiones para el conjunto de
la sociedad podrían tener un impacto significativo: retraso de la transición y
mix energético final alejado del óptimo técnico-económico para las condiciones
de tecnologías maduras (zona asintótica de curva de aprendizaje), lo cual
implica un mayor coste de la energía.
En efecto, en el contexto de un sistema energético basado
en renovables, las distintas tecnologías pueden ocupar diversos nichos y
porciones de mercado, dependiendo de distintos factores:
·
Sus características
tecnológicas
·
Sus estructuras de
costes y la evolución de los mismos durante la transición
·
La evolución del sistema
energético, y especialmente de la integración y despliegue de inteligencia
·
La evolución de las
otras tecnologías que pueden contribuir a configurar el mix de transición y
final
Dado que cada uno de estos factores está sujeto a
diversas condiciones de contorno que pueden llevar a evoluciones muy distintas,
ninguna tecnología tiene garantizada una contribución fija en mix del futuro ni
en el proceso de transición.
En este contexto, el desarrollo de escenarios sirve para
ver posibles formas en que se puede desplegar el futuro según distintas
hipótesis de evolución de estas condiciones de contorno.
En los estudios Renovables100% y
Energía 3.0 ,
partiendo de una serie de hipótesis entre las que figuraba que todas las
tecnologías renovables avanzaran homogéneamente por su curva de aprendizaje, se
desarrollaron, optimizaron y analizaron diversos mix de generación para la cobertura
de la demanda (demanda eléctrica en Renovables100% y demanda final total en
Energía 3.0) con sistemas basados al 100% en energías renovables, así como para
los procesos de transición. En todos estos casos, la contribución de la CSP en
estos mix era muy relevante, tal y como se puede apreciar en la Figura-1, tanto
para el caso de considerar la cobertura de la demanda eléctrica de un sistema
energético tendencial (parte superior de la figura, correspondiente al estudio
Renovables 100%), como para el caso de considerar la cobertura de la demanda
total de energía en un sistema energético integrado con despliegue de
eficiencia e inteligencia (parte inferior de la figura, correspondiente al
estudio Energía 3.0).
Figura-1: Gran relevancia de la CSP en los mix 100% renovables
para la cobertura de la demanda eléctrica tendencial (parte superior de la
figura correspondiente al informe Renovables 100%) y la cobertura de la demanda
total de energía final en un sistema energético con despliegue de eficiencia e
inteligencia (parte inferior de la figura correspondiente al informe Energía 3.0). Debido al elevado factor de
capacidad de las centrales termosolares consideradas en estos estudios
(múltiplo solar de 3 y 15 h de capacidad de almacenamiento), la contribución de
la CSP a la cobertura de la demanda en términos energéticos es
considerablemente superior a su contribución en términos de potencia instalada
(tal y como se puede apreciar en la parte inferior de la figura).
Sin embargo, no debe perderse de vista que esto constituye tan solo una de las posibilidades en que puede llegar a desplegarse la realidad en base a las hipótesis supuestas. Modificaciones de las condiciones de contorno, y especialmente de la estructura de costes en la etapa inicial de transición, dónde en ausencia de planificación adecuada las bajas penetraciones no requieren de estas características diferenciales de la CSP, pueden conducir a otros estados finales.
Y en efecto, la realidad para la CSP no se está desplegando por esta trayectoria, siendo su contribución mucho más marginal, tanto en términos de la potencia actualmente instalada, como en términos de la planificación (que impacta directamente sobre la potencia instalada en el futuro). En este contexto resulta conveniente hacer un análisis de perspectiva y prospectiva para entender qué es lo que está pasando y qué posibilidades de evolución futura quedan todavía abiertas.
Un factor importante para determinar el lugar que
finalmente acabará ocupando una tecnología dada, tanto en el proceso de
transición como en el mix final, es el cómo evolucione a lo largo de su curva
de aprendizaje. Pero esta evolución depende de muchos factores:
·
Acierto del apoyo
político y regulatorio
·
Resultante de la
combinación de presiones de los distintos lobbies
·
Confianza que consiguen
transmitir las primeras instalaciones a los distintos actores involucrados
(inversores, prestamistas, políticos, sociedad,…)
·
Contexto y planificación
del sistema energético (en particular la evolución de la penetración de las tecnologías
renovables en la cobertura de la demanda)
En el post de este blog ‘Costes de las tecnologíassolares para generación de electricidad: Termosolar (CSP) versus fotovoltaica(PV)’ se analiza con detalle la evolución de las
tecnologías PV (fotovoltaica) y CSP por sus respectivas curvas de aprendizaje
en el periodo que va desde cuando se desarrollaron los escenarios en los que se
basan los estudios Renovables100% y Energía 3.0 hasta la actualidad, mostrando
cómo la PV se ha acercado mucho a estos escenarios en su avance por la curva de
aprendizaje, mientras que la CSP no ha sido capaz de seguir esta evolución,
experimentando de hecho un retroceso (por lo que a costes se refiere) respecto
al punto de partida, que en la práctica se puede interpretar como una
traslación de la curva de aprendizaje. De esta forma, en el momento actual se
han invertido las tornas entre la PV y la CSP por lo que a costes se refiere
respecto a la situación existente en 2003 cuando se prepararon los escenarios
en los que se basaron los estudios Renovables100% y Energía 3.0. Esto no
implica que las otras ventajas de CSP hayan desaparecido (gestionabilidad,
flexibilidad, capacidad de regulación sistema gran penetración renovable…),
pero sí que conlleva una modificación significativa de la condición de contorno
de costes que impacta significativamente el despliegue de las tecnologías en
las primeras fases del proceso de transición, cuando las penetraciones son
bajas y con ello la necesidad de esos servicios adicionales que proporciona la
CSP pasa fácilmente desapercibida.
Este hecho conduce a que en estudios basados en
escenarios más recientes (‘SunShot vision study (2/2012)’ de US DOE ,
o el ‘RenewableElectricity futures study’ (12/2012) del NREL, claramente se concluya que la CSP sin TES (capacidad de
acumulación) no tiene contribución relevante en el desarrollo de sistemas
renovables, y la CSP con TES tan solo empieza a entrar en los mix optimizados
cuando la penetración renovable crece lo suficiente como para que sus servicios
adicionales sean relevantes y aporten un valor significativo al sistema.
En el estudio ‘An Analysis of Concentrating SolarPower with Thermal Energy Storage in a California 33% Renewable Scenario’ (NREL,
3/2013),
con una penetración de las renovables (33% en el sistema eléctrico) todavía
limitada pero que ya empieza a ser relevante, se concluye que en estas
condiciones la CSP ya aporta más valor operando en modo de suministrar
servicios complementarios al sistema, que en modo de maximizar los ingresos por
generación (modo actual de operación de las centrales CSP en todo el mundo),
poniendo así de relieve las características especiales de la CSP y su mayor valor
para el sistema eléctrico. La cuantificación del valor para el sistema
eléctrico que hace esta referencia va de los 9.53 c$/kWh para la PV hasta 13.53
c$/kWh para la CSP con TES (el valor considerado en este estudio incluye
combustible, O&M, emisiones y capacidad, en el contexto de un sistema
energético no integrado).
Análisis como el anterior, incluso con una
internalización parcial del valor de la contribución renovable (para una
discusión detallada del valor de las renovables ver posts de este blog ‘El valor de las renovables’ y ‘Valor y coste de las energías renovables: Trascendiendo los números para vislumbrar el resto de la foto’ ),
cuantifican las ventajas diferenciales de la CSP en la actualidad. Pero la CSP
no puede dormirse en poner en valor estas ventajas diferenciales para materializar
su avance por la curva de aprendizaje, pues estas ventajas no van a permanecer
indefinidamente, y tendencias ya en marcha, como el desarrollo de capacidad de
almacenamiento a precios razonables para otras tecnologías (como la PV o la
eólica), o la integración del sistema energético y despliegue de inteligencia
por el mismo que permita al sistema eléctrico aprovechar la capacidad de
acumulación disponible en otros subsectores energéticos (transporte,
edificación,…), claramente van a compensar y anular las ventajas diferenciales
de la CSP si ésta no ha sido capaz de avanzar por su curva de aprendizaje suficientemente
como para que sus ventajas diferenciales sigan proporcionando un valor neto
frente a las otras opciones tecnológicas.
Otro factor relevante para entender la evolución de la
CSP hasta la fecha es su elevada diversidad, tanto en cuanto a tecnologías como
en cuanto a opciones de diseño.
Por lo que respecta a las tecnologías, la tecnología CSP
cuenta con muy diversas opciones tecnológicas: cilindroparabólicos, receptor central
de torre, concentradores Fresnel lineales, discos parabólicos... Es más, dentro
de cada una de estas categorías principales nos encontramos a su vez con un amplio abanico
de opciones tecnológicas: receptores exteriores de sales fundidas, receptores con
generación directa de vapor (exteriores o de cavidad), receptores volumétricos de
aire (abiertos o cerrados), receptores de partículas, sistemas multitorre, centrales
con ciclo de turbina de vapor, centrales con ciclo de turbina de gas o con
ciclo combinado,… para el caso de la tecnología de receptor central de torre:
Una auténtica pesadilla para los promotores independientes que quieran
promocionar una planta CSP. De hecho, el parque CSP actual está dominado por
plantas promovidas por fabricantes de componentes tecnológicos y
suministradores de sistemas, que básicamente buscan con la promoción de estas
plantas el colocar su tecnología en el mercado.
Pero incluso más allí de la gran diversidad de
tecnologías, dentro de una tecnología CSP dada, existe a su vez una gran
diversidad de diseños, lo cual proporciona margen para la optimización (o para
el error…) al optimizar el diseño de una central CSP para unas condiciones de
contorno dadas. La Figura-2 nos presenta este hecho, mostrando para dos
tecnologías CSP distintas los mapas de prestaciones nominales de sus distintos
diseños en términos del coste normalizado de la electricidad generada bajo una
determinada estrategia de operación. Como podemos ver, para cada una de las dos
tecnologías, existen infinitos diseños (caracterizados en este caso en función
de su múltiplo solar SM y su capacidad de acumulación TES), cada uno
proporcionado distinto LEC, pero permitiendo acomodar distintas condiciones de
contorno u optimizar otras funciones objetivo, y los mapas de prestaciones
difieren entre ambas tecnologías. Es más, los mapas de prestaciones mostrados
en la Figura-2 corresponden a una determinada estrategia de operación, pero
también en esto, en virtud de su flexibilidad, las centrales CSP añaden una
dimensión adicional de diversidad al poder implementar distintas estrategias de
operación, cada una de ellas con un mapa de prestaciones nominales distinto…
Figura-2: Diversidad tecnológica y de diseño de las
centrales CSP. La figura muestra los mapas de prestaciones de dos tecnologías
distintas emplazadas en Sudáfrica.
Esta gran diversidad de las centrales termosolares sin
duda tiene sus ventajas, pero también sus inconvenientes…
·
Ventajas:
o Capacidad de optimizar los diseños para distintas
aplicaciones o nichos de mercado
o Mayor potencial de localización
o Mayor potencial de alcanzar un valor más bajo de los
costes asintóticos al recorrer la curva de aprendizaje
o Opciones de gestionabilidad y flexibilidad de operación
·
Desventajas:
o Una evolución más lenta a lo largo de la curva de
aprendizaje
o Generación de incertidumbre y confusión en algunos de los
actores involucrados en el desarrollo de la tecnología
o Mayor complejidad en el diseño y elección tecnológica,
haciendo que la opción más adecuada dependa del contexto e instante de tiempo
En el largo plazo, si la tecnología tiene opción de
avanzar por la curva de aprendizaje, la gran diversidad de la CSP sin duda será
un valor añadido de esta tecnología, pues existirá un diseño/tecnología óptimo
para cada nicho de mercado. Pero en el corto plazo, esta elevada diversidad
está siendo un inconveniente que ha contribuido a que la CSP resulte hoy por
hoy poco competitiva respecto a otras tecnologías renovables.
De hecho, en la actualidad, como consecuencia de esta
gran diversidad tecnológica y de opciones de diseño, junto con la gran cantidad
de actores involucrados en el desarrollo de una central CSP, hay un elevado
requerimiento de integración y asesoría independiente que no siempre se
incorpora adecuadamente en el desarrollo de los proyectos, proporcionando un amplio
margen para desviaciones importantes de las condiciones óptimas para cada aplicación
CSP, lo cual a su vez añade adicionales retrasos al avance de la tecnología por
su curva de aprendizaje (Figura-3).
Figura-3: Requerimientos de integración y asesoría
independiente para la definición de la tecnología y configuración óptimas para
cada aplicación CSP.
Una de las principales características diferenciales
de la CSP frente a otras tecnologías renovables (al menos en la actualidad) es
su disponibilidad de mecanismos de flexibilidad, que fundamentalmente se
materializan en su gestionabilidad, y que permiten a la CSP ofrecer valor al
sistema energético tanto en términos de energía y de capacidad como al
proporcionar al sistema servicios de regulación (entre los que se incluye su
capacidad de dar soporte a la integración de otras tecnologías renovables). Las
principales estrategias de diseño que proporcionan a la CSP esta flexibilidad y
gestionabilidad son:
·
Almacenamiento
térmico (TES) a costes relativamente bajos (con diseños de elevado múltiplo
solar) para proporcionar plantas CSP con elevado factor de capacidad y
flexibilidad de operación. La Figura-4 muestra cómo, empleando la tecnología
CSP adecuada, los diseños óptimos en términos de minimizar el LEC proporcionan
a su vez una elevada flexibilidad gracias a su elevado factor de capacidad.
·
Hibridación,
bien con biomasa (renovable) o con combustibles fósiles (no renovable), para
optimizar a nivel de planta la integración del sistema eléctrico (notar que una
central sólo solar conectada a un sistema eléctrico con plantas fósiles, ya
conduce a un sistema eléctrico híbrido), permitiendo usar un mismo bloque de
potencia para distintas fuentes de energía primaria.
La hibridación, presenta sin embargo limitaciones en
términos de energía (si bien no en términos de potencia, que son los más
relevantes para la regulación de un sistema con elevada penetración renovable).
En efecto:
·
Para
el caso de la biomasa, la limitación en términos energéticos está principalmente
asociada a la escasez de la biomasa en emplazamientos con elevado potencial
para la CSP (si bien existen emplazamientos límite en las fronteras de las
regiones con buen emplazamiento solar y de biomasa), así como en los muchos
usos y elevada demanda potencial de la biomasa en un contexto de un sistema
energético basado en energías renovables. Sin embargo, esta limitación en
términos energéticos no excluye la posibilidad de emplear la hibridación con
biomasa en términos de potencia, para proporcionar una elevada capacidad de
regulación con un bajo consumo de biomasa. O incluso de apoyarse en esta
hibridación para acompañar el proceso de transición, con un periodo limitado en
el que se haga uso de ese recurso de biomasa para alimentar el sistema
eléctrico (ver como ejemplo la Figura-5 desarrollada para un escenario de
transición en el sistema eléctrico Español).
·
Para
el caso de los combustibles fósiles, las limitaciones en términos de energía
están asociadas a los siguientes factores:
o
Sostenibilidad:
Uno de los objetivos de la transición del sistema energético es dejar de quemar
combustibles fósiles.
o
Rendimiento
de conversión: Tiene poca justificación quemar combustibles fósiles en una
central termosolar a un rendimiento inferior al que puede proporcionar una
central térmica optimizada para ese combustible fósil, pues ello conduciría a
aumentar las emisiones por unidad de energía eléctrica producida, y como
indicábamos antes, una central sólo solar vertiendo su electricidad a un sistema
con centrales solares constituye ya de por sí un componente de un sistema
eléctrico híbrido, siendo preciso acometer la optimización del conjunto y no de
cada una de sus partes por separado.
o
La
‘solarización’ del parque de centrales de combustible fósil puede constituir
una estrategia adecuada en algunas situaciones, pero su carácter es
estrictamente transitorio siempre y cuando permita acelerar la transición del
conjunto del sistema energético.
Figura-4: Mecanismos de flexibilidad disponibles
dentro de los grados de diseño de las centrales CSP.
Figura-5: Hibridación temporal de centrales CSP con
biomasa para acelerar la transición a un sistema eléctrico 100% renovable en
España. Escenario desarrollado para el estudio ‘Un nuevo modelo energético para
España publicado por la Fundación Ideas el 5/2009.
Pero no hay que perder de vista que nos hallamos
inmersos en un proceso dinámico de cambio, en el cual el sistema energético
evolucionará de su situación actual (no integrado y gobernado por la oferta), hacia
la integración y la incorporación de inteligencia, llegando eventualmente a ser
un sistema fundamentalmente gobernado por la demanda. Y en este contexto
futuro, la característica diferencial de la CSP por lo que respecta a la
flexibilidad pierde relevancia, pues la demanda es una gran fuente de
flexibilidad. En las Figuras 5 y 6 se presenta la estructura de los mecanismos
de flexibilidad para el sistema energético Español, integrado y 100% renovable
(del estudio Energía 3.0), para los casos de que el sistema esté gobernado por
la oferta (Figura-6) o gobernado por la demanda (Figura-7). Como podemos
apreciar, tanto la integración del sistema energético como la incorporación de
la participación activa de la demanda en su operación, desplazan los mecanismos
de flexibilidad que en el caso de sistemas energéticos no integrados y
gobernados por la oferta constituyen el mayor valor diferencial de la CSP
frente a otras tecnologías renovables. Para una discusión más detallada de la
transición del sistema energético, ver en este blog el post ‘Ya toca 'darle la vuelta' a los sistemas energético, económico y político’
Figura-6: Elementos de flexibilidad en un sistema
energético 100% renovable para España, gobernado por la oferta (estudio Energía3.0).
Figura-7: Elementos de flexibilidad en un sistema
energético 100% renovable para España, gobernado por la demanda (estudio
Energía 3.0).
Por tanto, la CSP cuenta con una ventana de oportunidad
con fecha de caducidad: O bien consigue avanzar por su curva aprendizaje al
poner en valor sus características diferenciales en los sistemas gobernados por
la oferta, recuperando unos costes de la energía que estén más cercanos a los
de otras tecnologías renovables, o de lo contrario su nicho de mercado (o
participación potencial en mix generación futuro), así como su contribución a
la transición energética se pueden ver fuertemente limitadas.
La gestionabilidad que ofrece la CSP con TES siempre será
una característica importante para la operación del sistema al alcanzar
elevadas penetraciones renovables. Pero dada la situación actualmente
desfavorable de la CSP respecto a otras tecnologías renovables por lo que
respecta a costes de la energía, su materialización requiere de una
planificación adecuada que ponga en valor esta característica durante las
primeras fases de despliegue de los sistemas renovables (en las cuales la
penetración renovables es baja y esta característica diferencial pasa
desapercibida). Es más, esta ventaja diferencial de la CSP va a quedar diluida a
medida que pase el tiempo y se vayan desplegando la integración, la inteligencia
y la participación de la demanda, o incluso a medida que otras tecnologías
renovables vayan desarrollando capacidad de acumulación a menores costes.
Otro aspecto en el que la CSP lleva retraso frente a
otras tecnologías renovables (especialmente frente a la PV) es el poder
desarrollar aproximaciones distribuidas para su despliegue, lo cual, en gran
medida está directamente relacionado a la sensación de ‘cercanía’ que la
sociedad tiene con la tecnología. Si bien hay otras tecnologías renovables
intrínsecamente más modulares tecnológicamente que la CSP (aunque en la
actualidad no faltan propuestas de modularidad tecnológica para la CSP) y que
han alcanzado un arraigo mucho más fuerte en la sociedad, realmente lo que
tiene que estar distribuido es la gobernabilidad e incluso la propiedad, más
que físicamente los equipos, pues físicamente puede haber elementos de
eficiencia asociados a la centralización, que en la PV ya se notan, pero en la
CSP mucho más. El desafío en esta dimensión es por tanto el buscar mecanismos
de agregación que permitan descentralizar la propiedad de las centrales CSP y
acercarlas a la sociedad, aspecto en el cual la CSP ha avanzado muy poco.
Entonces, como sociedad, ¿no perdemos nada si la CSP
no es capaz de aprovechar su ventana de oportunidad y se queda finalmente
desplazada a una contribución marginal tanto en el proceso de transición como
en el mix energético del futuro?
Para el proceso de transición, mientras seguimos inmersos
en sistemas energéticos no integrados y gobernados por la oferta, la CSP puede
marcar una clara diferencia entre viabilizar desde ya los sistemas basados en
renovables, actuando por tanto como una facilitadora (más que competidora) de
otras tecnologías renovables.
La opción de prescindir de los aspectos diferenciales
de la CSP, traería como consecuencia el retrasar la evolución hacia sistemas de
gran penetración renovable hasta que ya estuviera desplegada la inteligencia y
desarrollado el potencial de participación de la demanda, y nos conduciría a
una situación final de mayor coste total de la energía al haber desaprovechado una
tecnología con potencial de bajo coste asintótico en la curva de aprendizaje, y
al vernos forzados a resolver por medios menos eficientes los requerimientos de
flexibilidad una vez que la penetración renovable creciera sin disponer de las
aportaciones de la CSP.
Y es preciso tener presente el hecho de que no tan solo
es relevante el completar la transición, sino que la trayectoria seguida para
llevar a cabo la transición del sistema energético tiene un gran impacto sobre
las repercusiones finales, tanto en términos de los costes asociados a este
proceso de transición, como en términos de los impactos correspondientes. En el
post de este blog titulado ‘Trayectorias de transición del sistema energético hacia la sostenibilidad: Sus implicaciones y por dónde vamos’ ya discutimos estos aspectos relacionados con la
relevancia de la trayectoria del sistema energético hacia la sostenibilidad,
apoyándonos en tres trayectorias de transición analizadas en el informe Energía 3.0 para completar la transición en el año 2050 en la España peninsular: Transición
responsable, transición lineal, y transición retardada. En el caso de no contar
con la CSP para desarrollar este proceso de transición, a los impactos
asociados a una transición retardada como la ilustrada por ese escenario del
informe Energía 3.0, habría que añadirle los correspondientes a tardar más
tiempo en completar la transición (pues esta no se podría completar en el año
2050).
En las Figuras 8, 9, 10 y 11 recordamos y ampliamos
las implicaciones de estas trayectorias de transición del informe Energía 3.0,
en términos de porcentaje de renovables en el sistema eléctrico, porcentaje de
renovables en el sistema energético total, emisiones de CO2 y costes
de la energía.
Figura-8: Porcentaje de electricidad de origen
renovable en el sistema eléctrico para los tres escenarios de transición
analizados en el informe Energía 3.0 (los tres escenarios de transición completan
el proceso en el año 2050)
Figura-9: Porcentaje de electricidad de origen
renovable en el sistema energético total para los tres escenarios de transición
analizados en el informe Energía 3.0 (los tres escenarios de transición completan
el proceso en el año 2050)
Figura-11: Coste de la energía para los tres
escenarios de transición analizados en el informe Energía 3.0 (los tres escenarios
de transición completan el proceso en el año 2050)
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