La generación tradicional de electricidad tiene un problema termodinámico: la quema de combustible para generar electricidad genera calor residual que extrae la mayor parte de la energía. Para cuando la electricidad llega a su toma de corriente, alrededor de dos tercios de la energía original se han perdido en el proceso.
Esto es cierto solo para la “generación térmica” de electricidad, que incluye carbón, gas natural y energía nuclear. Las energías renovables como la eólica, la solar y la hidroeléctrica no necesitan convertir el calor en movimiento, por lo que no pierden energía.
El problema de las grandes pérdidas de energía también afecta a los motores de combustión interna. En un vehículo a gasolina, alrededor del 80% de la energía en el tanque de gasolina nunca llega a las ruedas. (Para obtener detalles, consulte una publicación anterior que compara la eficiencia de los vehículos eléctricos y los motores de combustión interna).
Las centrales eléctricas de combustibles fósiles son más eficientes que el motor de un automóvil, pero todavía se enfrentan al mismo obstáculo. En ambos casos, la conversión de energía de una forma a otra deja solo una fracción de la energía original para realizar la tarea prevista.
Las centrales térmicas tradicionales pierden la mayor parte de la energía que entra en ellas
A lo largo de los siglos, la forma más común de producir electricidad ha sido a través de la generación térmica, comenzando el proceso con la generación de calor. Luego, ese calor se usa para hervir agua y producir vapor, que hace girar una turbina que genera una corriente eléctrica. La fuente de combustible puede ser carbón, gas natural o fisión nuclear, pero el proceso es similar y muy ineficiente. La mayor parte de la energía que ingresa a una planta de energía térmica se pierde como calor residual. Las pérdidas menores adicionales provienen de la energía utilizada para operar la planta de energía en sí.
En las centrales térmicas contemporáneas, entre el 56% y el 67% de la energía que entra en ellas se pierde en la conversión. Pero los impactos de la minería, el procesamiento, las emisiones de gases de efecto invernadero, las partículas y otras formas de contaminación se imponen sobre la cantidad total de combustible consumido en el extremo superior del proceso, no solo sobre la minoría que eventualmente llega a sus puntos de venta. Lo mismo es cierto para el precio, por supuesto, que es aún más notable a medida que aumenta el costo del gas natural.
¿Cómo se acumulan las fuentes?
La eficiencia de las centrales eléctricas se mide por su tasa de calor, que son las UTB (Unidad Térmica Británica) de energía necesarias para generar un kWh de electricidad. Esta matemática simple compara la cantidad total de energía que ingresa a la planta de energía con la cantidad de electricidad que sale de la planta y se dirige a la red.
La Administración de Información de Energía enumera la tasa de calor para diferentes tipos de plantas de energía, y las eficiencias operativas promedio de las plantas de energía térmica en los EE. UU. en 2020 fueron:
- Gas natural: 44% de eficiencia, lo que significa que se perdió el 56% de la energía del gas, con el 44% de la energía convertida en electricidad.
- Carbón: 32% eficiente
- Nuclear: 33% eficiente
Eficiencia de las renovables
¿Qué pasa con la eficiencia de las energías renovables? Una turbina eólica tiene una eficiencia de alrededor del 35 al 47%. Pero espera. ¿No es esa la misma baja eficiencia que las centrales eléctricas de carbón y gas? Pues sí… y no.
Comparar la energía renovable con los combustibles fósiles no es una comparación de manzanas con manzanas, porque las energías renovables no usan combustible.
Una planta de carbón con una eficiencia del 32% sigue quemando el 100% de su carbón. El impacto de quemar carbón se basa en cuánto carbón se quema, no en cuánta electricidad se genera al final del proceso. Pero una turbina eólica que convierte el 32% de la brisa que pasa en electricidad no consume nada.
Aunque las turbinas eólicas capturan solo una parte del aire que pasa por ellas, eso no es tan problemático como las ineficiencias de las plantas de combustibles fósiles, porque el viento en sí mismo es gratuito, no contaminante y es suministrado regularmente por la atmósfera. No se puede decir lo mismo del carbón o del gas.
Sin embargo, cuanto más eficiente es un aerogenerador, menos se necesitan. Por lo tanto, la eficiencia sí importa, aunque de una manera diferente.
Los paneles solares tienen una eficiencia de alrededor del 18% al 25%, con aumentos constantes en la eficiencia en los últimos años. Al igual que con el viento, la ineficiencia de un panel solar no significa que el sol tenga que emitir más energía para alimentar el panel. Pero los paneles solares más eficientes generan más electricidad de cada panel, lo que ahorra materiales y área de terreno.
La energía hidroeléctrica es la campeona de la eficiencia, con una eficiencia de alrededor del 90% en la conversión de agua en movimiento en corriente eléctrica. Parte de la impresionante eficiencia de la hidroelectricidad es que las represas canalizan el agua directamente a través de las turbinas, mientras que las turbinas eólicas simplemente se sientan en medio del aire en movimiento y convierten una parte en electricidad.
Reemplazar la generación eléctrica térmica reduce el consumo total de energía
La generación de electricidad representa el 24% por ciento de las emisiones de gases de efecto invernadero de EE. UU. Un beneficio desconocido de reemplazar la generación eléctrica térmica de combustibles fósiles con energía eólica, solar o hidroeléctrica es que todo el combustible que termina como calor residual simplemente no necesita ser reemplazado en absoluto. Los métodos más eficientes para generar electricidad hacen que todo el problema quede obsoleto.
Considere una planta de carbón que consume 1000 megavatios de carbón por hora y produce 320 megavatios de electricidad por hora. Es solo el número más pequeño que necesita ser reemplazado con una fuente de energía diferente. Pero ese reemplazo ahorraría 1,000 megavatios de contaminación y costos de combustible. Además, cambiar a formas de energía inherentemente eficientes significa que se necesita menos energía, en general.
Las pérdidas de energía exceden los usos de energía
La siguiente figura muestra cómo fluye la energía a través de la red eléctrica estadounidense actual. Esta información se ilustra más comúnmente desde el extremo aguas abajo de las plantas de energía, pero al incluir todo el combustible que ingresa a las plantas de energía, es más fácil apreciar la magnitud de la energía utilizada durante todo el proceso, y las cantidades masivas de energía que se ahorrará a medida que el carbón y el gas natural se reemplacen con energías renovables.
Usando los números anteriores de 2021, y considerando toda la flota de fuentes de energía, se perdió más energía en la conversión de la que se convirtió en electricidad. El mayor componente del sistema eléctrico actual es la pérdida de energía.
La transmisión y el almacenamiento de energía provocan menores pérdidas de energía
Independientemente de la fuente de electricidad, debe trasladarse desde la planta de energía hasta los clientes. La transmisión y distribución provocan una pequeña pérdida de electricidad, en torno al 5% de media en EE. UU., según la Administración de Información Energética de los Estados Unidos. Cuanto mayor sea la distancia recorrida, mayor será la pérdida de electricidad de las líneas de transmisión, y esta pérdida de energía es la misma sin importar qué tipo de energía alimenta la red.
El almacenamiento de energía es una parte cada vez más común del suministro de electricidad, y el almacenamiento es un elemento esencial para descarbonizar la red eléctrica. ¿Cuánta energía pierden las baterías? La eficiencia de ida y vuelta de las baterías de iones de litio a gran escala utilizadas por las empresas de servicios públicos fue de alrededor del 82% en 2019, lo que significa que el 18 % de la energía original se perdió en el proceso de almacenamiento y liberación. Las baterías son cada vez más eficientes con el tiempo, y la investigación de almacenamiento en red del Departamento de Energía utiliza una eficiencia de batería del 86 % en sus estimaciones.
Una mejor manera
Debido a que los combustibles fósiles han sido la norma para la mayor parte de la energía del mundo durante más de un siglo, los desafíos termodinámicos de quemar combustible se han aceptado durante mucho tiempo como un efecto secundario inevitable.
La Administración de Información de Energía describe eufemísticamente estas pérdidas de energía como “una característica termodinámicamente necesaria” de la generación de electricidad térmica.
Pero a medida que el mundo busca remodelar el suministro de energía, las grandes pérdidas de energía no son necesarias ni son una característica de la electricidad moderna. Una red más limpia y eficiente podría reducir el consumo total de energía, producir menos contaminación en general y emitir mucha menos contaminación climática. Se podría considerar que estas mejoras son las “características necesarias” críticas del sistema energético del mañana.
El autor agradece a los analistas de la Administración de Información de Energía por su ayuda para navegar los matices de las pérdidas de conversión de energía. Para obtener más detalles sobre cómo comparar el contenido de energía de las energías renovables y los combustibles fósiles, consulte Enfoques alternativos para derivar el contenido de energía de las energías renovables no combustibles o una descripción de dos enfoques para comparar la generación de electricidad renovable con otras fuentes.