dilluns, 22 de gener de 2018

El transport en un sistema 100% renovable: costos i implicacions.





Benvolgudes lectores,
En aquest post faig un petit resum d’un article que hem publicat una part del grup MEDEAS de l’ICM (l’Antonio García-Olivares, l’Oleg Osychenko i jo mateix), que ha sortit publicat recentment sobre el transport en un sistema 100% renovable. Aquest article és un resultat del projecte MEDEAS, en particular, dels treballs que vam fer per analitzar un dels colls d’ampolla en la transició a un sistema socio-econòmic no fòssil. Els resultats preliminars amb models com el predecessor del model MEDEAS, el WoLim, ja apuntaven a que el transport en la nostra societat globalitzada serà una de les qüestions més importants a resoldre per fer front al pic i disminució progressiva de la producció d’energia fòssil. Cal aclarir que els problemes més grans que genera la dependència fòssil del transport (bàsicament petroli) no es centren només en els viatges que podem fer per desplaçar-nos per anar a treballar o de vacances, pensem, sobre tot, en el transport de totes les matèries primeres industrials, alimentació, materials per infrastructures, etc. que caldrà adaptar per mantenir una hipotètica economia global funcionant. L’exercici de l’article és doncs, assumint el BAU (Bussiness as Usual, negocis com sempre o fer com sempre hem fet) veure quins costos (energètics) i quines implicacions tindria fer el canvi de fòssil a renovable sense tocar res més. Aquest canvi bàsicament es basa en substituir allò que funciona amb motors de combustió per motors elèctircs. Veiem-ne un breu resum (pels detalls us recomano llegir tot l’article).

En aquest treball es fa una revisió des del punt de vista energètic i tecnològic dels sistemes de transport que s’han proposat com alternatives provades als mitjans de transport que utilitzen els combustibles fòssils i a les previsions per entrar en una era post-carboni. Prenem com hipòtesi un sistema de transport igual que el que teníem a nivell global l’any 2014.

En un càlcul conservador, si aquest sistema fòssil el substituïm per un de renovable, s’estalvia un 18% de l’energia consumida (aquí parlem del cost del consum per ‘moure’ persones i mercaderies, no del cost de l’adaptació de totes les infrastructures associades al transport i subministrament d’energia per a aquest transport). Aquesta reducció vindria d’una reducció del 68% en el consum d’energia en transport terrestre, però que es compensaria en part per un increment en el consum d’energia del transport marítim (163%) i aeri (149%). Aquests increments en el transport marítim i aeri venen de la impossibilitat, amb les tecnologies actuals, d’electrificar-los, és a dir, caldria mantenir aquest transport en sistemes de combustió però, en aquest cas, passant al gas natural, que es produïria a partir d’electricitat generada per fonts renovables. A aquesta hipòtesi cal afegir que assumim una reducció del transport aeri del 50%. Això es deriva de la necessitat de produir gas natural a partir de l'electricitat per alimentar els motors d'avions i vaixells, la qual cosa suposa forts augments de preus d'ambdós tipus de serveis i la disminució del transport intercontinental, cosa que pot produir una reubicació de l'activitat econòmica. L'ús d'hidrogen per a l'avió en comptes de metà estalviarà energia, tot i que a costa de ltenir un combnustible menys segur. D'altra banda, l'ús del combustible per avions augmentaria el consum del sector aeri un 317% en relació amb el seu consum actual i faria que aquest sector consumís un 47% de la demanda energètica del transport total. Això tindria un efecte dramàtic i probablement insuportable sobre els preus i la mobilitat aèria. Per mantenir els preus dels vols a un nivell similar al d'avui, la ràtio d'energia consumida pel sector aeri en relació amb l'energia total disponible hauria de ser similar a la de l'economia actual, al voltant del 3% (IEA 2014). Una futura economia 100% renovable, capaç d'oferir el mateix servei que l’economia fòssil contemporània exigirà al voltant del 87% de l'energia d'aquest últim; això suposaria 342110 PJ (Peta Joules) de consum final per produir serveis similars als de l'economia del 2014. Si el 3% d'aquesta energia (10019 PJ) ha de ser consumit pel sector aeri, això significa que el sector aeri renovable hauria de tenir un 35% de la mida del sector aeri del 2014 i consumiria un 35% l'energia per al sector 100% renovable. Una fracció més gran implicaria un augment dels preus. Tantmateix, projectar la mida exacta i els augments de preus que un futur sector aeri toleraria és un tema complex que requeriria una anàlisi socioeconòmica més enllà de l'abast d'aquest estudi, així doncs hem assumit un escenari amb un 50% del nombre d'aeronaus del 2014 com a plausible.

Atesa la manca actual d'infraestructures aeroportuàries per emmagatzemar metà o hidrogen, en les pròximes dècades, pot ser necessari un ús més gran dels biocombustibles a reacció per mitigar la petjada de carboni d'acord amb les recomanacions de l'IPCC . No obstant això, en una economia 100% renovable, la construcció d'aquestes infraestructures i l'ús de metà o hidrogen seria una opció més econòmica i estalviarien una quantitat important d'energia.
La transició cap a un transport aeri i marítim 100% renovable no suposaria cap estalvi energètic o monetari en comparació amb el sistema actual. Per tant, des d'una perspectiva de racionalitat econòmica, la substitució dels combustibles fòssils en el transport ha de començar amb el transport terrestre, on estalviaria una major quantitat d'energia i CO2 a un cost menor i deixaria la conversió renovable completa d’aquests dos sectors fins a més tard.



Pel que fa al transport terrestre, hem suposat dues alternatives: (i) vehicles amb bateries, (ii) vehicles per vies o amb catenària. Una alternativa als punts de recàrrega per a vehicles elèctrics seria l'anomenat sistema de Vehicles Elèctrics per Vies (TEV de les sigles en anglès: Tracked Electric Vehicles). Es basa en una idea de l'inventor Will Jones, que busca construir autopistes especials en les quals els automòbils no només es recarreguen mentre es mouen, sinó que també es condueixen de manera autònoma (amb un sistema de navegació incorporat al vehicle). Aquestes carreteres evitarien la congestió del trànsit, ja que els cotxes podrien viatjar en una mena de trens de vehicles. Els cotxes es recarreguen durant el recorregut utilitzant un sistema elèctric tipus Scalextric, o "bimotor", instal·lat al centre del carril. Gran part de l'electricitat podria venir de panells solars situats a sobre o a la mateixa carretera. El desplegament global d'aquest sistema seria car, però permetria una reducció significativa de la mida de les bateries amb el corresponent estalvi de metalls escassos.
Si es tria un sistema TEV, la seva inversió de capital seria de 5,3 x 1013 USD (dòlars EUA), superior a la inversió en renovació de flotes de transport. En aquest cas, la inversió total seria de 9,8 x 1013 USD i la taxa d'inversió hauria de ser del 2,2% del producte mundial brut per any.
Les inversions en infraestructures de transport global entre 2014 i 2025 s’han calculat en 14 x 1012 USD, equivalent a 1.4 x 1012 USD l'any com a mitjana dels pròxims anys. D'altra banda, la producció mundial de fabricació de vehicles va ser de 66 milions de vehicles i gairebé 2 x 1012 euros de facturació global el 2005. El 2016, la producció mundial de vehicles va ser 95 milions de dòlars. Per tant, si la taxa de renovació per vehicle s'ha mantingut constant aproximadament, la facturació global hauria de ser actualment de 2,9 x 1012 euros o 3,5 x 1012 USD l'any. Aquesta xifra es pot considerar igual a la despesa anual de vehicles nous. Si la transició té lloc en un termini de 30 anys, el cost anual de renovació de la flota de vehicles seria del 34% de les despeses anuals actuals de vehicles nous. Per tant, aquesta substitució és factible i es pot considerar part de la renovació habitual de la flota de transport. D'altra banda, les inversions en infraestructures anuals en punts d'emmagatzematge i recàrrega de gas representarien el 0,4% i el d’un sistema TEV, el 126% de la inversió en infraestructura de transport actual. Així, una electrificació global de la xarxa viària exigirà un esforç d'inversió addicional del 40% respecte als nivells actuals.
A curt termini, l'escenari (i) (vehicles amb bateries) té l'atractiu d'un cost reduït, però pot mantenir o fins i tot augmentar la massificació d'automòbils a les nostres ciutats i, a llarg termini, pot provocar un fort increment dels preus del níquel i el liti utilitzats en les bateries de cotxe. L'escenari (ii) vehicles elèctrics per vies (TEV), evitarà aquests problemes fent les bateries de cotxe més petites i que no siguin necessaris punts de recàrrega a les ciutats, tot i que a un cost molt elevat. Una tercera alternativa que eviti els problemes de congestió a les ciutats i les elevades inversions de capital és compartir cotxes (carsharing). Es tracta d'un sistema de lloguer d'automòbils per períodes curts de temps (tan curt com una hora) que evita la necessitat de propietat dels automòbils i que podria reduir la flota d'automòbils de passatgers en un ordre del 69%, augmentant el temps mitjà d'ús per a cada cotxe. A més, maximitzaria l'ús dels cicles de bateria. Aquest tipus de sistema sembla adequat a la disminució del poder adquisitiu de les classes mitjanes que s'ha observat als països desenvolupats des del 2008 i als preus relativament alts dels cotxes elèctrics actuals.
En l'escenari (i), l'energia embeguda necessària per a la transició del transport és 16415 PJ, el 91% per a vehicles, el 2.4% per als avions, el 2,9% per a vaixells, l'1,2% per a l'electrificació de ferrocarrils, l'1,8% per a l'emmagatzematge de gas i el 0,2% per punts de recarrega. Això equival al 4,2% de l'energia secundària (en els punts de consum) produïda el 2014 i al 16% de l'energia secundària consumida pel sector del transport el 2014. Si la transició es produís en un termini de 30 anys, la inversió seria d'aproximadament el 0,1% de l'energia secundària total anual (0,5% de l'energia consumida per transport per any). En l'escenari (ii), aquestes xifres serien del 9,7% de l'energia secundària de 2014 i una inversió del 0,3% de l'energia secundària de 2014 per any.
La nostra estimació no considera nous requisits d'infraestructura per a l'alimentació del sistema d’electricitat a gas. La transició també hauria d'anar acompanyada d'una nova infraestructura per a la producció d'energia renovable, la redundància dels sistemes energètics (renovables) i les xarxes intel·ligents per interconnectar els llocs de producció, emmagatzematge i consum elèctric. Les inversions de capital i energia necessàries per a la nova infraestructura necessària per a una economia 100% renovable, no s’estudien en aquest treball. No obstant això, el fet que l'energia incorporada al capital fix de les infraestructures de transport sigui només una petita fracció de l'energia secundària utilitzada anualment per l'economia, suggereix que la nova infraestructura no serà la part principal del problema en una transició 100% renovable.

El cost total de capital de la nova flota de vehicles, vaixells, trens electrificats i avions seria, amb els nostres supòsits, 3.9 x 1013 USD,  un 88% per a la construcció de la flota de vehicles, un 8% per a la nova flota d'avions, un 2,8% per a la nova flota de vaixells i 1,2% per a la nova infraestructura elèctrica del ferrocarril (locomotores i catenàries). La incorporació de les estacions de recàrrega i la infraestructura de transport de gasos no canviaria de manera visible aquests resultats.
Si prenen com a referència el producte mundial brut: 74 x 1012$ USD1990 (dòlars de l'any 1990) el 2016,  que equival a 13.6 x 1013 $ USD2016 (dòlars de 2016). La nova infraestructura, costaria el 33% del producte brut mundial de 2016. Si això s'aconsegueix en un termini de 30 anys, la taxa d'inversió anual hauria de ser del 1,1% del producte mundial brut per any (amb les hipòtesis que hem proposat en aquest estudi). Atès que la formació del capital mundial és el 25% del producte mundial brut, aquesta inversió sembla factible, tot i que hauria d'anar acompanyada d'una inversió similar en infraestructures de producció d'energia renovable.

Els mercats estan invertint cada vegada més en la producció i el transport renovables, però no amb els increments anuals necessaris per evitar un canvi climàtic irreversible. El necessari canvi tecnològic profund i les inversions en la implementació per a l'electrificació del transport suggereix que cal un esforç decisiu en l'àmbit polític i pràctic dels governs. Això planteja reptes immediats, en part esmentats aquí, que poden requerir polítiques decisives i nous enfocaments per assolir els objectius projectats per donar suport a la descarbonització del sistema de transport.

Les restriccions principals de materials escassos que poden posar en perill el desenvolupament a gran escala de bateries a bord, motors elèctrics, piles de combustible i aeronaus renovables són: les reserves limitades de liti i níquel, les reserves de coure limitades, l'ús de metalls rars com platí i pal·ladi en cel·les de combustible i els alts costos d'energia per sintetitzar combustibles aeronàutics a partir d'electricitat.



Recomanem doncs un conjunt de mesures per part de governs i societat civil per anticipar aquests riscos:


  • Substitució de la major part del transport terrestre interurbà actual, que es basa en camions i cotxes particulars, mitjançant trens elèctrics per a mercaderies i passatgers.
  • Ús de vehicles elèctrics només per a transport de curta distància entre ciutats sense alternativa de transport públic.
  • Ús limitat dels vehicles elèctrics, que es tradueix en una flota relativament petita. La mida actual podria considerar-se un límit superior, però no solucionaria els problemes de congestió a les ciutats, podria augmentar els preus de metalls importants com Ni i Li, i podria posar en perill la seva disponibilitat per a altres usos industrials. S'hauria de donar prioritat al transport públic electrificat.
  • Ús de les piles de combustible només quan la demanda d'autonomia i potència del vehicle ho exigeixi.
  • Reducció de flotes d'aviació a favor de (i) sistemes ferroviaris i (ii) transport marítim, en aquest ordre.
  • La reorganització i la reducció del trànsit marítim, ja que els vaixells de càrrega serien els principals consumidors de combustibles a partir d'ara i les piles de combustible d'hidrogen i biogàs en el futur.
  • Optimització de la logística i el treball, per reduir la demanda de viatges.
  • Desplaçament de "modes" de transport d'alta a baixa intensitat energètica. Els paràmetres apropiats per quantificar aquests modes d'intensitat i priorització serien de kWh per cada passatger-km i kWh per Tm-km.
  • Millora de l'eficiència energètica, no només mitjançant l'ús de les millors tecnologies disponibles, sinó també mitjançant l'actuació en infraestructures de transport urbà i públic. El foment del TaaS (transport com servei) i l'intercanvi d'automòbils tenen un gran potencial per reduir la demanda d'energia i materials per al transport per carretera.


Algunes de les limitacions de la present anàlisi inclouen la incertesa, imprevisibilitat o dificultat de projectar els següents factors:


  • Tecnologies disruptives que puguin substituir recursos crítics o alleujar el dèficit energètic.
  • Evolució de la distribució demogràfica i migracions forçades pel canvi climàtic i futures guerres.
  • Evolució de la desigualtat econòmica, que podria obstaculitzar les inversions renovables en molts països.
  • Decisions polítiques i de mercat que fomentin camins específics de transició del transport actual de combustibles fòssils al transport elèctric. Consens sobre la disposició dels estats a tot el món en el desplegament d'una economia descarbonitzada, que pot traduir-se en diferents escenaris de com es finança i fomenta la transició.
  • Recursos econòmics disponibles en futurs escenaris de crisis climàtiques i ambientals.


Una altra conclusió d'aquest estudi és que un sistema de transport renovable és factible, però no necessàriament compatible amb el creixement exponencial habitual del consum de recursos. Estem entrant en una època on les inversions requerides en les pròximes dècades suposaran l'ús de grans fraccions de les reserves de metalls importants com Cu, Ni, Li, Pt i Pa. Alguns d'aquests metalls (per exemple, Pt i Pa) tenen propietats físiques específiques que els fan essencials. Per tant, qualsevol política per a la transició renovable necessària ja no es pot basar exclusivament en preus i incentius, sinó que ha de considerar també les reserves geològiques i l’escassetat dels materials. En els propers 50 anys, la manca d'elasticitat de les reserves metàl·liques probablement accelerarà la necessitat de dissenyar una economia post-capitalista que utilitzi noves eines econòmiques. Algunes d'aquestes eines serien l'ús d'indicadors geofísics i de sostenibilitat, l'abandó del PIB com a principal indicador de l'èxit econòmic, la incorporació a l'economia de la planificació a llarg termini i l'avaluació ambiental científica i, sobretot, la introducció de nous mecanismes que puguin crear prosperitat sense augmentar necessàriament el consum de recursos i materials.



Salutacions,
SZD

2 comentaris:

Anònim ha dit...

Hola:

Dudo que se puedan sustituir los coches térmicos por cochepilas por el mismo precio, o incluso ligeramente superior.

El aumento del precio del Litio y del cobalto YA ha subido algo, básicamente multiplicándose por cuatro desde septiembre de 2015. El Níquel no parece que lo haya notado tanto.

Fabricantes como Tesla, tienen más pérdidas cuantos más cochepilas venden, y el resto de fabricantes que pueden compensar con la venta de térmicos, se quejan de las ventas y los costes, debido a las pérdidas que tienen.

Y uno de los puntos que siempre me han chirriado, es eso de los 'paneles fotovoltaicos'. ¿Que pasa si se pretende conducir de noche?

El balanceo entre producción y consumo es uno de los elementos básicos de la electricidad. Producir cuando los dioses Helios y Eolos les da la gana no es compatible con consumir esa energía cuando a los meros mortales nos apetece. Por no mencionar las necesidades de los controles, algo que parece invisible para aquellos que no trabajan en diseños electrónicos.

Lo mismo ocurre con los efectos relativistas de la transmisión eléctrica a largas distancias que limita el alcance de control a menos de 600Km de cualquier central despachable (que son las que controlan y gestionan la estabilidad de la red).

Tengo algo escrito que quizás podría ser de utilidad para Uds.
http://crashoil.blogspot.com.es/2014/05/analisis-en-profundidad-sobre-la.html
http://autonomiaybienvivir.blogspot.com.es/2017/05/resuelve-algo-el-coche-electrico.html
http://autonomiaybienvivir.blogspot.com.es/2017/05/resuelve-algo-el-coche-electrico_22.html
http://autonomiaybienvivir.blogspot.com.es/2017/06/resuelve-algo-el-coche-electrico.html
http://autonomiaybienvivir.blogspot.com.es/2017/06/resuelve-algo-el-coche-electrico_26.html


En cualquier caso, estoy a su disposición para hablar de cualquiera de estos temas.

Beamspot.

Quim N. ha dit...

A l'espera dels resultats del model integrat, aquests primers treballs de MEDEAS donen una sensació agredolça: per un costat sembla tècnicament possible realitzar una transició no caòtica a una societat post-fòssil, però d'altra banda totes les nostres opcions passen per adoptar polítiques de planificació global i exhaustiva de l'ús de recursos, i la renúcia aqualsevol possibilitat de creixement futur, aspectes diametralemnt oposats a la deriva que hem seguit els darrers dos segles.
Els científics aquí teniu un paper molt complicat. Per ser creïbles heu de realitzar una anàlisi objectiva, asèptica, apolítica, d'un problema d'enorme complexitat, fortament contaminat pels grans interessos (informes IEA, etc), i que aboca conclusions amb implicacions socials majúscules.
Enhorabona pel treball.