¿Cuánto tiempo tarda la tecnología renovable en recuperar su costo de energía?

La pregunta cita dos enlaces, pero ninguno de ellos plantea como afirmación la pregunta de cuánto tiempo le toma a un sistema de energía renovable recuperar su costo de energía, que es el título de la pregunta. Primero abordaré la pregunta muy amplia en el título, para la cual no se citó ningún reclamo notable (pero que existirá en algún lugar).

Los dos enlaces citados plantean otros dos reclamos, y me ocuparé de esos dos después de eso. El primero afirma que hay ocasiones en que el consumo de energía de los aerogeneradores para su propia gestión, supera a su generación. El segundo afirma que la generación de energía media total de los sistemas fotovoltaicos instalados en el mundo ha superado recientemente el consumo de energía medio total utilizado por los fabricantes de energía fotovoltaica del mundo.

Afirmación 1: Se gasta más energía fósil en la producción de estos dispositivos de generación de energía de la que producirían estos dispositivos por sí mismos

tl;dr: falso. La energía eólica terrestre produce entre 20 y 80 veces más energía que la necesaria para producir las turbinas. Viento en alta mar alrededor de 10-20 veces. PV alrededor de 10-20 veces.

Como la pregunta menciona energía eólica y fotovoltaica a gran escala, solo me centraré en ese subconjunto de energías renovables. Examinaré el tiempo de recuperación de la energía y la vida útil, ambos medidos en años. Siempre que la vida útil exceda el tiempo de recuperación de la energía (EPBT), se genera más electricidad de la que se consume en su construcción. Y si la generación excede la energía total consumida, también debe exceder el consumo total de combustibles fósiles utilizados, ya que no puede ser mayor que la energía total consumida.

                         EPBT(y)  life(y) sources
LARGE-SCALE WIND:                          [1],[2],[3],[4],8]
                onshore   0.25-1  20-25   
               offshore      1-2  20-25?
PV:                                        [5].[6],[7]
monocrystalline silicon  1.7-2.7  25+
polycrystalline silicon  1.7-2.2  20-25
                   CdTe  0.8-1.1  10-25

Fuentes: 1 , 2 , 3,pdf , 4,pdf , 5, pdf , 6 , 7 , 8 : una mezcla de estudios independientes, artículos de revistas revisados ​​por pares e información de los fabricantes, que son ampliamente consistentes en el rango de números.

Nota 1: No sabemos cuánto durará la energía fotovoltaica monocristalina, porque solo existe desde hace unas pocas décadas en forma comercial. Sabemos que después de 20 a 30 años, las células pueden ser despojadas de su antiguo encapsulado y reencapsuladas ( pdf ). Del mismo modo, solo podemos estimar la vida útil de los parques eólicos marinos comerciales en 20-25 años, ya que el primer parque de este tipo, en Vindeby, todavía está generando ahora, ya que se construyó en 1991 (más números en mi entrada de blog sobre factores de capacidad en parques eólicos marinos daneses). granjas ).

Nota 2: diferentes estudios hacen suposiciones diferentes sobre el nivel de recurso eólico/solar disponible en el sitio real; sobre cuánta energía se usa para operaciones, mantenimiento y desmantelamiento (y esto generalmente se incluye en los análisis de costos del ciclo de vida, como verá explícitamente en la mayoría de esas referencias); y sobre los detalles de fabricación. Esto puede resultar en amplias variaciones en las estimaciones. La energía eólica terrestre solo alcanzó la madurez alrededor de 2002 (lo que significa que todavía no hemos realizado un ciclo de vida completo para las turbinas eólicas terrestres modernas); los demás aún se encuentran en la fase de innovación disruptiva; por lo tanto, todavía no hay datos empíricos significativos de todo el ciclo de vida disponibles.

Afirmación 2: hay ocasiones en que el consumo de energía de los aerogeneradores para su propia gestión, supera a su generación.

tl;dr: Falso para los últimos años; cierto en ocasiones antes de 2003. Es raro, pero ha sucedido: no pude encontrar ninguna ocurrencia en los datos de Gran Bretaña, pero sí algunos casos en Dinamarca en 2000 y 2002.

De hecho, le puede pasar a cualquier tipo de generación: plantas de gas, plantas de carbón, plantas nucleares, plantas hidroeléctricas, etc.: todas usan cierta cantidad de electricidad para operaciones de fondo, incluso cuando no están generando: luces en la sala de control, equipos de refrigeración, lo que sea.

Es más notable para el viento, debido a la naturaleza de la falta de generación de causa común (también conocida como modo común). Todas las formas de generación son susceptibles a la falta de generación por causa común, donde (casi) ninguna planta de un tipo particular en un país específico está generando electricidad en un momento dado. Por ejemplo, la flota nuclear de Japón tuvo muchos meses de falta de generación por causa común después del terremoto y tsunami de 2011. Pero la electricidad todavía se consumía en esos sitios, por lo que toda la flota nuclear era un consumidor neto de electricidad. De manera similar, si se interrumpiera el suministro de carbón o gas natural de un país, toda la flota de generación se desconectaría al mismo tiempo, pero las operaciones básicas continuarían en las plantas, para garantizar que estuvieran listas para operar cuando se reanudara el suministro de combustible.

En el caso de la eólica, donde toda la flota de generación se encuentra dentro de la misma zona climática, puede haber momentos en los que la generación total sea muy baja (del orden del 0,5 % aproximadamente) de la capacidad nominal total y, en esos momentos, el consumo eléctrico operativo de las turbinas, para deshielo y modo de espera, pueden superar la generación eólica total. Esto sucedió en Dinamarca, hace más de una década, pero no desde entonces; No pude encontrar ninguna ocasión en los datos de que sucediera en Gran Bretaña. El enlace citado afirma que obtuvo su historia de un columnista en un periódico inglés de clase baja: ese columnista no cita la fuente de sus datos, ni la fecha y hora específicas, solo que fue unas semanas antes del 21 de diciembre de 2010. Sin embargo , examinando los datos de la cuadrícula de media hora de Elexon(datos gratuitos con registro) que cubre el período desde el 1 de noviembre de 2008 hasta ahora, no hubo ningún momento en que la generación eólica neta media cada media hora fuera inferior a cero. La producción media cada media hora más baja fue de 2MW, para el período 0700-0730 (UTC+1) el 5 de junio de 2010. Tampoco hay tiempos en los datos instantáneos de 5 minutos en los que sucedió durante el mismo período. Hay un período de datos corruptos en el registro, alrededor del 19 de octubre de 2010, donde la producción neta para generación (carbón, gas, viento) se muestra como cero (lo cual es imposible, ya que habría causado un apagón nacional, y eso no sucedió). no suceda entonces), y puede ser que esos datos corruptos sean el origen de la historia.

Sin embargo, mirando los datos daneses , había ocurrido en el pasado en Dinamarca, que la generación neta a partir del viento era negativa, ya que el consumo de energía propia de la turbina era mayor que la generación total de la turbina: dieciséis intervalos de media hora en 2000; un intervalo de media hora en 2002; nada desde entonces. No es tan sorprendente que no haya sucedido desde entonces: la tecnología de control de turbinas ha mejorado y muchas de las turbinas más antiguas se eliminaron gradualmente en 2002 como parte de un programa nacional de repotenciación .

Afirmación 3: la generación de energía media total de los sistemas fotovoltaicos instalados en el mundo ha superado recientemente el consumo de energía medio total utilizado por los fabricantes de energía fotovoltaica del mundo.

tl: dr: probablemente cierto a partir de 2012; imposible de verificar, pero totalmente plausible.

Sin una razón particular para ser escéptico, no veo ninguna razón para dudar de las conclusiones del artículo revisado por pares citado. Los datos necesarios para realizar el cálculo no están disponibles, por lo que uno se queda con información parcial y las mejores estimaciones profesionales, tanto de la generación fotovoltaica global total en un año como del consumo total de energía de los fabricantes fotovoltaicos en un año. Podemos hacer una buena estimación de la primera, porque casi toda la energía fotovoltaica ahora está conectada a la red, y una parte de ella (una que probablemente sea bastante representativa) se mide. Es mucho más difícil hacer una buena estimación de este último, porque hay muchas fábricas involucradas en las diferentes etapas de la producción fotovoltaica, en todo el mundo, y no tienen que reportar su consumo de energía. Entonces, el documento en cuestión estima el consumo de energía,

Es un número plausible, aunque los tiempos de amortización de la energía fotovoltaica tienden a ser del orden de 3 años, y eso se debe a que, aunque la expansión de la capacidad fotovoltaica instalada ha sido muy rápida: del orden del 70 % anual, promediado durante varios años . Podemos hacer un cálculo crudo del reverso del sobre para ver cómo funciona:

Year    Generation    new capacity  total capacity   Power consumption
 1           0              10               10              30
 2          10              17               27              51
 3          27              29               56              87
 4          56              49              105             147
 5         105              83              189             251

Es un cálculo simplificado que muestra la capacidad en términos de generación media (en lugar de la capacidad nominal; la generación del año 3 es igual a la capacidad total al final del año 2; el consumo de energía del año 3 es tres veces la nueva capacidad construida en el año 3; para simplificar el cálculo, asumí que todo se pone en línea solo al final del año en que se fabrica). La generación fotovoltaica solo superará la producción fotovoltaica cuando ese crecimiento exponencial comience a estabilizarse (como lo hará, por supuesto, con el tiempo) y/o los tiempos de recuperación de la energía se reduzcan aún más.

Y esto será cierto para cualquier tecnología de nueva generación que se expanda muy rápido, en relación con su período de recuperación de la energía: para una recuperación de la energía de 4 años, será cierto para cualquier tasa de crecimiento superior al 25 % anual; para un reembolso de energía de 3 años, cualquier cosa por encima del 33% anual; para un payback de energía de 2 años, algo más del 50% anual, etc.: durante la fase de rápida expansión, el consumo de energía de fabricación excederá la generación total.

Esta relación se muestra bien en el gráfico del resumen del artículo (tenga en cuenta que este es un gráfico logarítmico):

_fuente

Tenga en cuenta que las tasas de crecimiento anual han aumentado aproximadamente al mismo ritmo que los tiempos de recuperación de la energía han disminuido (el factor de enlace es la rápida disminución de los costos de la energía fotovoltaica en los últimos 13 años: menor consumo de energía -> paneles más baratos -> mayor implementación -> innovación en la fabricación -> menor consumo de energía -> ...)

Depende de la tecnología de energía renovable, pero la respuesta es generalmente unos pocos años.

Aquí hay un análisis detallado de la energía incorporada en dos tamaños de turbinas eólicas a gran escala (850 Kw y 3 MW). Este estudio implicó una evaluación muy detallada de la energía incorporada, que mostró que las estimaciones anteriores eran considerablemente bajas. A pesar de este coste energético inicial más realista, el documento establece que la energía incorporada representa menos del 5% de la energía total producida, suponiendo una vida útil de 20 años, y concluye:

El uso de un método de análisis de energía incorporada híbrido sistémicamente completo ha demostrado que las evaluaciones anteriores de energía incorporada de las turbinas eólicas pueden estar incompletas hasta en un 78 %. A pesar de estas importantes mejoras en la evaluación de la energía incorporada, se ha destacado la relativa insignificancia del componente de energía incorporada de las turbinas eólicas durante su vida útil.

Para los sistemas fotovoltaicos que utilizan la tecnología actual, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL, por sus siglas en inglés) del Departamento de Energía de EE. UU. dice que se necesitan de 3 a 4 años para recuperar la energía incorporada, y establece específicamente:

Basado en modelos y datos reales, la idea de que la energía fotovoltaica no puede pagar su inversión en energía es simplemente un mito. De hecho, los investigadores Dones y Frischknecht descubrieron que la fabricación de sistemas fotovoltaicos y la producción de energía de combustibles fósiles tienen períodos de recuperación de la energía similares (incluidos los costos de minería, transporte, refinación y construcción).

Aquí hay un enlace al artículo de Wikipedia sobre Energía devuelta sobre energía invertida (EROEI) que tabula valores para varias fuentes de energía. EROEI es la relación entre la energía producida y la energía consumida para producirla. El viento entra en 18, muy cerca del 20 para la producción de petróleo. La energía solar fotovoltaica aparece como 6.8. Ambos son más altos (es decir, mejores) que muchas otras alternativas, incluido el petróleo de esquisto bituminoso (5) y las arenas bituminosas (3). En otras palabras, el rendimiento tanto de la energía eólica como de la solar es mejor que el del petróleo que se mueve a través del oleoducto Keystone XL propuesto.

Tenga en cuenta que gran parte de la entrada de energía para estas tecnologías se basa actualmente en combustibles fósiles, pero a medida que estas fuentes renovables entran en funcionamiento, el porcentaje de energía fósil invertida se vuelve cada vez más bajo.