El transporte en un sistema energético 100% renovable: Costes y limitaciones

Antonio García-Olivares

 

Costes de capital y energéticos de la transición del transporte

  1. Costes de las flotas de transporte terrestre, marino y aéreo

En esta sección, analizamos la inversión y el costo energético del transporte por modo. En el caso de los trenes, el costo de la electrificación de los ferrocarriles también será incluido. También estimamos los costos de infraestructura del almacenamiento y transporte de metano líquido para el transporte marítimo y aéreo, la construcción de infraestructura de estaciones de carga para suministrar electricidad a flotas de vehículos a batería y la construcción de un sistema TEV de energía dinámica y recarga (Sección 2.3) en todas las carreteras del mundo. Finalmente, se estima la energía anual utilizada por el nuevo sistema de transporte renovable y se compara con la demanda de transporte en 2014.

El costo de la transición a un sistema de vehículos terrestres post-carbono dependerá de los modelos de movilidad y envío que tengan éxito, especialmente en el tráfico urbano e interurbano. Sin embargo, aquí vamos a ser conservadores y supondremos que toda la flota actual de vehículos será completamente reemplazada por vehículos alimentados por batería y de celda de combustible.

En cuanto a las motos, hoy hay alrededor de 669 millones de motocicletas de dos o tres ruedas en circulación en todo el mundo. Según IRENA (2016), el consumo de energía de las motos es de 0,1 MJ /pasajero-km y la infraestructura, y los costos asociados son: 50-150 Eur /pasajero-km. Favorecer legalmente a las motos frente a los coches es una opción para reducir las demandas de energía en algunos usos de transporte a corta distancia en ciudades, en combinación con el transporte público y con el tránsito a pie (Figueroa 2015).

Otra forma de ahorrar en inversión de capital y consumo energético es aumentar las flotas de autobuses urbanos e interurbanos en sustitución de los automóviles. El consumo de energía global actual de los autobuses urbanos es de 0,32-0,91 MJ / pasajero-km, y los costos de infraestructura asociados: 200-500 Eur /pasajero-km. Para los autobuses de larga distancia, el consumo de energía es de 0,24 MJ /pasajero-km y los costos de infraestructura son 500-600 Eur /pasajero-km (IRENA, 2016). Los autobuses tienen un promedio de 9000 pasajeros (urbanos) a 17000 pasajeros (por carretera) por hora.

Haciendo hipótesis conservadoras, no consideraremos estas posibilidades de ahorro y calcularemos los costos de renovación de la actual flota de motocicletas, vehículos ligeros y vehículos pesados, manteniendo el volumen actual. Esto implicaría la producción de 1117 millones de vehículos ligeros (IEA 2016) que funcionarían con motores de batería (o motores basados ​​en celdas de combustible), 669 millones de motocicletas eléctricas, 32 millones de camiones medianos y 24 millones de camiones de carga alta (IEA 2017) con pilas de combustible o baterías (Tabla B.1).

Suponemos que el 10% de los vehículos comerciales ligeros y pesados ​​tendrán motores de pila de combustible (aquellos dedicados a tareas que exigen, a la vez, alta potencia y alta autonomía).

Suponemos que el precio minorista de una batería o un vehículo con pila de combustible es dos veces el precio de uno convencional. Esto está dentro del rango proyectado por Plotkin et al. (2009) para 2015 (ver su Figura 3-5a). Por lo tanto, el precio de mercado típico de los vehículos eléctricos se toma de la siguiente manera: 22,000 USD (dólares USA) para vehículos ligeros, 5,500 USD para motocicletas y 100,000 USD para camiones de carga mediana (dos veces el precio del camión camión JAC 4×2 de 180 kw, y el precio estimado del camión “Semi electric” de Tesla (Successful Dealer 2017). El precio de un camión eléctrico de carga alta es el doble que el de la unidad tractora Volto D13 EcoTor 455-HP (General Truck Sales, 2017) (Tabla B.1).

La razón principal del costo adicional de los vehículos eléctricos (EV) es el precio de las baterías (además del hecho de que la industria de vehículos eléctricos y el mercado de consumidores de EV son relativamente jóvenes, como lo son los motores y otros componentes). Sin embargo, los motores tienden a ser más simples, más ligeros y algo más baratos, incluso con la tecnología actual. Según algunas estimaciones, los vehículos eléctricos (EV) se volverán más baratos que los autos convencionales para mediados de la década de 2020 (Carrington 2016). Sin embargo, en nuestra estimación hemos utilizado los precios típicos actuales.

La expresión utilizada para estimar el costo total de capital en USD para la nueva flota (ccv) es la siguiente:

donde m es el margen comercial del sector (se supone que es 7/100), nl, n2, nmd y nhd son número de vehículos ligeros, de dos-tres ruedas, camiones medianos, y camiones pesados, y pl, p2, pmd, phd, son los precios de mercado típicos de este tipo de vehículos en su versión eléctrica, en 2017.

El resultado final es de 3.6 x 1013 USD. Para calcular la energía incorporada (ecv) en esta capital, hemos utilizado las intensidades energéticas (Consejo Mundial de la Energía 2016) de la industria de los 39 principales países productores de automóviles y vehículos comerciales. Estos datos proceden de la Organización Internacional de Fabricantes de Vehículos Motorizados (OICA 2015). La expresión utilizada es la siguiente:

donde ccv es el costo de capital en dólares de la flota de vehículos nuevos, b es un factor de conversión de koe a Joules, 1.247 es el factor de inflación entre 2005 y 2016, N es la producción mundial de vehículos en 2015, nj es el número de vehículos producidos por cada país «j» ese año, ies la intensidad energética de la industria del país “j” y 0.12 es la relación observada entre la intensidad energética del sector de equipos de transporte y la de la industria global. La categoría j = 40 corresponde a «otros países» para los cuales utilizamos la intensidad energética media de la industria global.

La intensidad energética de la industria en 2016 de diferentes países se calcula extrapolando dos años de la tendencia respectiva mostrada por el Consejo Mundial de la Energía (2016) hasta 2014. El resultado (koe por $ USD2016) se muestra en la Tabla B.3 del Apéndice B del artículo original.

Con estos parámetros, la energía requerida para la conversión de la flota mundial de vehículos sería de 1.5 × 1019 J (que es alrededor de un año de producción mundial de petróleo).

Con expresiones similares, hemos calculado el coste de capital y la energía incorporada en los otros modos de transporte.

  1. Sistema de carga eléctrica

Una flota de vehículos esencialmente eléctricos necesitaría algún tipo de sistema de energía o recarga. Consideramos dos escenarios para esto: (i) un sistema global de postes de carga eléctrica colocados en las calles de los municipios, y (ii) el despliegue del sistema TEV (véase la Parte 1) en todas las carreteras mundiales.

La distancia mundial promedio recorrida por automóvil en las ciudades y áreas metropolitanas (cm) fue de aproximadamente 3800 km por persona durante el año 2012 (UITP 2015). Los automóviles eléctricos en el mercado actual usan cargadores que pueden suministrar carga suficiente para 55 a 125 km de autonomía en una hora (Sanz 2017). Tomemos ah = 80 km de autonomía por hora de carga como valor medio. Si tomamos of = 1.5 pasajeros por automóvil como un valor típico de “baja ocupación”, encontramos que, con esta ocupación promedio, se requieren 31,7 horas de carga por persona por año para satisfacer la demanda global de movilidad del automóvil.

Suponiendo que una fracción f de los puestos de recarga eléctrica disponibles no están ocupados, el número de puestos requeridos para una ciudad de N habitantes se puede calcular con la siguiente expresión:

donde 8760 es el número de horas en un año, y las otras variables se han definido anteriormente. A modo de ejemplo, la ciudad de Barcelona (N = 1,6 x 106 habitantes y 102 km2 de superficie), si suponemos movilidad media mundial, necesitaría 68 puestos de recarga por km2. La movilidad es mucho más alta en los EE. UU., alrededor de 13,000 millas por año (BTS 2012). Con la movilidad promedio de los Estados Unidos, una ciudad del tamaño de Nueva York requeriría 204 puestos por km2. Una manzana en el distrito del Eixample de Barcelona, ​​con sus carriles de calle asociados, mide 133,3 m x 133,3 m. Por lo tanto, tendríamos típicamente 1.2 y 3.6 postes de carga por manzana con movilidad mundial y estadounidense, respectivamente.

El poste de recarga más barato de 22 kW ofrecido por wallbox.eu cuesta 1207 euros por conexión (Wallbox 2017). Con este poste, una batería típica de automóvil de 24 kWh puede recargarse en poco más de una hora. Suponemos que este costo es cercano al costo de producción. El costo total de instalar puestos de carga para la demanda de movilidad global (cp1) se estima con la siguiente expresión:

donde wp es la población del mundo en 2017, d es el factor-euro-a USD, hc es el número de horas de carga que corresponde a la persona media que conduce un coche ocupación baja (1,5 personas por coche), que se calcula como hc = 3800 / (1.5a),donde a es la autonomía por hora de carga (se supone que es 80 h).
En el momento de escribir el artículo, la población mundial era de 7515 millones de personas. Usando la demanda media de movilidad y una conversión de 1 euro = 1.2 USD, obtenemos cp1 = 4.7 x 1010 USD.

Esta cifra puede dar el orden de magnitud de los costes asociados con los puestos de carga necesarios para la movilidad. Ahora estimamos el costo correspondiente asociado con los puestos de carga para vehículos comerciales. El número y el consumo de energía de la flota mundial de vehículos comerciales se ha obtenido de IEA (2016; 2017) y se resume en la Tabla 1.

Clase de vehículo Consumo anual (EJ) Número (millones)
Triciclos 0.5 77.8
Vehículos ligeros 8.1 130
Camión de carga media 7.4 32
Camión de carga alta 14.9 24

Tabla 1. Consumo de energía anual y tamaño de las cuatro clases de vehículos comerciales.

La energía anual consumida por vehículo de cada clase (ea1 a ea4) se obtiene dividiendo los valores correspondientes en las columnas 2 y 3 de la Tabla 1. La potencia (pp1 a pp4) del puesto de carga utilizado por vehículos de tres ruedas, ligero, mediano y se supone que los vehículos pesados son de 22, 22, 55 y 100 kW, respectivamente. Con las capacidades de la batería de la Tabla B.1, el tiempo de recarga típico de los cuatro tipos de vehículos sería de aproximadamente 3 minutos, 1 hora, 2 horas y 7 horas, respectivamente.

El tiempo de carga acumulado anual del vehículo de clase-i (tai) puede calcularse con la siguiente expresión:

donde i es un índice que va de 1 a 4, para los cuatro vehículos de cada clase, cf es el factor de conversión de joules a kwh, y los otros símbolos se han definido en el párrafo anterior.

El coste cp2 de las estaciones de recarga para vehículos comerciales se estima a partir de la siguiente expresión:

donde f es la fracción de ocupación de los puestos de carga (se supone que es 0,5), 8760 es el número de horas en un año, p es el precio medio de una estación de carga individual, y tai se calcula usando la ecuación anterior. El precio p es incierto dado que las estaciones de carga de alta potencia aún no son comunes en el mercado, pero suponemos que es igual al del modelo Modo-4 Raption Trio de Wallbox (Wallbox 2017), 37200 USD. El resultado es cp2 = 3.2 x 1010 USD, y el coste de la totalidad de los postes es cp = cp1 + cp2 = 7.9 x 1010 USD.

Utilizando la intensidad energética media mundial del sector, la energía incorporada en ese capital fijo sería ep = 3.3 x 1016 J.

Ahora consideramos el escenario (ii) y calculamos el costo de construir un carril con el sistema TEV en todas las carreteras del mundo. Un sistema global como este nos permitiría reducir el número de vehículos con pilas de combustible a solo aquellos que necesitan viajar fuera de las carreteras y también nos permitiría disminuir el tamaño de las baterías de los vehículos normales.

Fig. Ilustración de convoyes de taxis o vehículos sobre carriles TEV urbanos

La longitud total de las carreteras del mundo se estimó en 2013 en 65,285,000 km (CIA World Factbook 2017).

El costo de construcción de una milla de este sistema en 1996 fue de aproximadamente 2,5 millones de dólares (TEV 2017, capítulo 12) si el trabajo se hiciera desde cero. Sin embargo, asumimos que el trabajo se lleva a cabo en carreteras ya construidas. Por lo tanto, el costo no debería ser muy superior al de la electrificación de una línea ferroviaria de doble vía de alta velocidad, unos 0.75×106 euros (900 mil USD) per km. Así, suponiendo un margen comercial del 10% para grandes infraestructuras civiles, el costo de capital fijo total de la instalación de un sistema TEV global (ctev) puede ser estimado con la siguiente expresión: ctev = 900,000 lr×0.90

donde lr es la longitud de las carreteras mundiales.

El resultado es ctev = 5.3 x 1013 USD. Usando la intensidad energética global de los equipos de transporte, la correspondiente energía incorporada sería 2.2 ×1019 J.

  1. Infraestructura para almacenamiento y transporte de gas

Se requerirá infraestructura para el transporte y almacenamiento de metano para alimentar la demanda de puertos y aeropuertos. Obtendremos aquí una estimación del orden de magnitud del costo de la infraestructura básica necesaria para abordar dicha demanda. Suponemos 300 km como una distancia típica entre los puntos de consumo y las refinerías que producen metano, a partir de electricidad y de CO2. Esta distancia es típica en la actual Unión Europea para ubicaciones que están lejos de sus refinerías más cercanas.

Suponemos que el metano se almacena en un estado líquido similar al gas natural licuado (GNL). La cantidad máxima de metano que se puede almacenar en el sitio de consumo es la demanda de siete días, ya que un tiempo más largo no es económico debido a las pérdidas por evaporación a través de las válvulas de seguridad de los tanques.

Un tanque de 15.000 galones cuesta típicamente 170.000 $ y requeriría una bomba de carga de 20.000 $ (Krich et al., 2005). Supondremos 200.000 dólares (de 2005) cada 15.000 galones como un costo de almacenamiento típico.

Suponemos que el GNL será transportado por camiones eléctricos que costará el doble que un camión convencional (ver Sección 3.1). La energía incorporada en el capital fijo del transporte de bio-petróleo es actualmente de 0,04 MJ t-1 km-1 para la construcción de camiones y una cantidad similar para la construcción de las carreteras asociadas. Supondremos que el costo es el doble (0.08 MJ t-1 km-1) para los camiones eléctricos que transportan GNL. La energía incorporada en la operación de los remolques cisterna actuales de 30 m3 de capacidad es de 2.08 MJ t-1 km-1 (Pootakham y Kumar, 2010). La energía correspondiente incorporada en el funcionamiento de un camión eléctrico lo calculamos multiplicando la última cantidad por la relación entre la eficiencia de un motor diésel y la eficiencia de un motor eléctrico (Tabla 2). Se supone que el 90% de los remolques eléctricos usan baterías y un 10% de celdas de combustible.

Fig. Para ser conservadores, suponemos que el transporte de gas licuado es realizado mediante camiones eléctricos. Sin embargo, el uso de trenes permitiría ahorrar costes energéticos y de capital.

La expresión para estimar la energía, ea (J), incorporada en la infraestructura de almacenamiento y transporte de gas, es la siguiente:

  eg = es + et

donde:

y:

Aquí p es el precio en 2005 USD por galón (13.3), i el factor de inflación entre 2005 y 2017, 3.79 el número de litros en un galón estadounidense, ρ  la densidad del gas natural licuado (GNL) (0.46 kg/l), sc la capacidad de almacenamiento ( kg de GNL) suficiente para una semana de consumo, iw es la intensidad energética media de la industria mundial (0.088 koe / USD), 41.9 × 106 es el factor de conversión de koe a Joule, e1, e2 son las energías respectivas incorporadas en el capital fijo de carreteras y camiones (0.04 × 106 y 0.08 × 106 J t-1 km-1, respectivamente), d es la distancia media (km) entre la refinería más cercana y cualquier punto de consumo (se supone que es 300 km), y 10-3 es el factor de conversión de kg a toneladas.

Aquí:

donde cy es el consumo anual de combustible para el transporte aéreo y marítimo (J) (véase la segunda columna de la Tabla 3), 54 es el número de semanas en un año y hc es el contenido calórico bajo del GNL (4.9×107 J /kg).

El resultado final es 2.9×1017 J.

La energía anual requerida para transportar el metano que es necesaria para impulsar los sectores aéreo y marítimo también se puede calcular con la siguiente expresión:

donde e3 es la energía utilizada para transportar en camión una unidad de masa de metano a lo largo de 1 km (2.12×106 J t-1 km-1), sa es la masa de metano transportada en un año, y ηd, ηbat y ηfc son las eficiencias típicas de los motores diésel, de batería y de pila de combustible (ver Tabla 2).

Aquí, sa = cy /hc, donde cv y hc se definieron anteriormente.

El resultado final de este cálculo es em = 9.7×1016 J. Esta cifra se incluye en la tercera columna de la Tabla 4 bajo el concepto de “Transporte de combustible”.

  1. Energía requerida por un sistema de transporte 100% renovable

García-Olivares (2015) estimó la energía que utilizaría un transporte 100% renovable para proporcionar servicios similares al sistema de transporte de 2005. Aquí hacemos un cálculo similar pero usando datos sobre el consumo de energía del sector del transporte en 2014 (IEA 2014). A diferencia del cálculo anterior, aquí suponemos que el transporte aéreo y marítimo usará gas natural en lugar de hidrógeno como combustible. El gas natural es más estable que el hidrógeno y sus requisitos de almacenamiento y transporte son bien conocidos, por lo tanto, es más fácil de utilizar por las infraestructuras portuarias y aeroportuarias actuales.

La Tabla 2 muestra las eficiencias de diferentes motores y la eficiencia de la producción de gas a partir de electricidad. No se han tenido en cuenta las pérdidas de transmisión ya que estamos interesados ​​en la relación entre las diferentes eficiencias de los motores primarios y no en las eficiencias precisas entre el tanque y la rueda. En la estimación de la eficiencia del proceso de electricidad a gas, la eficiencia calculada por Götz et al. (2016) (0.55) se combina con las pérdidas estimadas por Gagnon (2008) cuando un gas comprimido es transportado fuera del sitio de producción.

Tecnología Eficiencia Referencia
Vehículo de Gasolina 0.20 Van Mierlo 2006
Vehículo Diesel 0.25 Van Mierlo 2006
Combustión Interna 0.225 Enea 2016
Motor Diesel de barco 0.42* Wärtsilä 2014
Motor de pila de combustible 0.40 Hekkert et al. 2005
Motor de batería 0.80 Gagnon 2008
Motor alimentado por catenaria 0.95 Gagnon 2008
Electricidad-a-hidrógeno 0.48 Ivy 2004

Bossel 2005

Electricidad-a-gas 0.40 Gagnon 2008

Götz et al 2016

Electricidad-a-combustible de aviación 0.24 Elgowainy et al. 2012

        * Usamos el valor más bajo del rango de eficiencias dado por Wärtsilä (2014)

Tabla 2. Eficiencias de diferentes motores y procesos.

La expresión utilizada para estimar el consumo de energía de un sistema de transporte por carretera 100% renovable (evr) es la siguiente:

donde ev es el consumo de energía del transporte mundial por carretera en 2014, wel, weh y wem son las fracciones de energía consumidas por vehículos ligeros a batería, vehículos pesados a batería y motocicletas a batería, respectivamente; wfcl y wfch son las fracciones de energía consumidas por vehículos ligeros propulsados por celdas de combustible y vehículos pesados propulsados por celdas de combustible, respectivamente; eh es la energía eléctrica incorporada en una unidad de energía con contenido de calor bajo de hidrógeno (alrededor de 2.13); ηic, ηbat y ηfc son las eficiencias para hacer un trabajo útil desde la combustión interna, la batería y los motores de células de combustible, respectivamente.

Suponemos que la energía consumida por diferentes categorías de vehículos es proporcional a la potencia característica de sus motores. Por lo tanto, las fracciones wel, weh, wem wfcl y wfch se calculan de la siguiente manera:

donde ffc es la fracción de vehículos comerciales que tienen motor de celda de combustible (se supone que es 0,10); nt2, nt3, nli, nlc, namb, npol y nmot son los números globales de camiones medianos, camiones pesados, vehículos ligeros, vehículos comerciales ligeros, ambulancias, vehículos de policía y motocicletas, respectivamente; p1, p2, p3 y p4 son las potencias típicas del motor de vehículos ligeros, camiones medianos, camiones pesados y motocicletas (tomados de la Tabla B.1); y la potencia total del motor pt es:

La cantidad de vehículos ligeros, pesados y motocicletas se toma de la Tabla B.1. Para estimar el número de ambulancias en 2014, suponemos una ambulancia por cada 30.000 personas en los países en desarrollo (81% de la población mundial total) y una ambulancia por cada 4350 personas en los países desarrollados (19% de la población total). Estas cifras corresponden a datos de Turquía (Özata et al. 2011) y Australia (SCRGSP 2014), respectivamente. Se supone que el número de coches de policía es igual al de las ambulancias, y se supone que el número de camiones de bomberos es insignificante en comparación.

La energía requerida por los demás sectores es calculada mediante expresiones similares.

  1. Conclusiones

Los costes de capital de una infraestructura de transporte renovable son muy sensibles al modelo concreto de transporte que puede prevalecer en el futuro. Un transporte público basado en catenarias tiene un costo de funcionamiento aproximadamente un 24% más económico que un sistema basado en automóviles electrónicos privados, incluso si solo se permite una alta ocupación. Este costo de funcionamiento sería aún menor si se implementaran masivamente sistemas de bicicletas eléctricas y sistemas urbanos ligeros en sustitución de los autos eléctricos. Dado que el escenario futuro es incierto, hemos calculado el costo de un reemplazo total de la actual flota de vehículos, buques y trenes, por un número igual de unidades de transporte eléctrico y ferrocarriles electrificados. Suponemos que el número de aeronaves que se reemplazarán es el 50% de la flota actual.

Una flota de vehículos esencialmente eléctrica necesitaría un sistema de recarga. Hemos considerado dos escenarios para esto: (i) un sistema global de estaciones de carga eléctrica ubicadas en las calles de las ciudades, y (ii) el despliegue de un sistema TEV a lo largo de todas las carreteras del mundo. En el primer escenario, normalmente tendríamos entre 1,2 y 3,6 estaciones por manzana de casas en ciudades con  movilidad igual a la media mundial y a la de EEUU, respectivamente. Es un verdadero desafío acomodar un número tan elevado de estaciones de carga en cualquier esquema de diseño urbano. Sin embargo, este sistema sería entre dos y tres órdenes de magnitud más económico que el sistema TEV: 7.9 × 1010 USD y 3.3 × 1016 J contra 5.3 × 1013 USD y 2.2 × 1019 J para el sistema TEV.

 

Sector Coste Capital Fijo (USD) Energía Incorporada (PJ)
Vehículos ligeros 2.3 x 1013 9642
Camiones de media y alta carga 0.9 x 1013 3930
Motos y triciclos 0.3 x 1013 1444
TOTAL VEHICULOS 3.6 x 1013 15016
Vías 4.6×1011 188
Locomotoras 0.3 x 1011 14
TOTAL TRENES 4.9 x 1011 202
Graneleros 5.0 x 1011 220
Cargueros 1.0 x 1011 46
Portacontenedores 2.6 x 1011 119
Cisterna químicos 0.9 x 1011 40
Pasajeros 1.5 x 1011 66
TOTAL BARCOS 1.1 x 1012 477
Aviones 1.6 x 1012* 397*
Estaciones Recarga / TEV 7.9 x 1010 / 5.3 x 1013  33 / 21796
Infraestructura Metano 7.9 x 1010 290
TOTAL TRANSPORTE 3.9 x 1013 / 9.8 x 1013 16415 / 38178
Barcos de pesca 1.8 x 1012 772

Tabla 3. Costes de capital fijo y energía para nuestros escenarios de sistemas de transporte 100% renovables. * Para una flota con 50% del número de aeronaves que en 2014. Si el tamaño de la flota fuera 35% y 100% el tamaño de 2014, los números correspondientes serían un 30% más bajos y un 100% más altos, respectivamente.

La Tabla 3 resume los resultados de nuestras estimaciones de costes. El costo de capital total de la nueva flota de vehículos, barcos, trenes electrificados y aeronaves sería, utilizando nuestras suposiciones, 3.9 x 1013 USD, 88% para la construcción de la flota de vehículos, 8% para la nueva flota de aeronaves, 2.8% para la nueva flota de barcos, y 1.2% para la nueva infraestructura eléctrica ferroviaria (locomotoras y catenarias). La adición de estaciones de recarga e infraestructura de transporte de gas no cambiaría visiblemente estos resultados.

Como referencia, el producto bruto mundial fue 74 × 1012 $ USD1990 (dólares del año 1990) en 2016 (FMI 2016), lo que equivale a 13,6 × 1013 $ USD2016 (dólares de 2016). Por lo tanto, la nueva infraestructura costaría el 33% del producto mundial de 2016. Si esto se logra dentro de 30 años, la tasa de inversión debería ser del 1,1% del producto mundial bruto por año siguiendo las hipótesis que hemos propuesto en este estudio. Dado que la formación de capital mundial representa aproximadamente el 25% del producto mundial bruto (FMI 2016), tal inversión parece posible, aunque debería ir acompañada de una inversión similar en infraestructura de producción de energía renovable.

Una alternativa a los puestos de recarga para vehículos eléctricos sería el sistema TEV (TEV 2017). Se basa en una idea del inventor Will Jones, que busca construir autopistas especiales en las que los automóviles no solo se recarguen mientras conducen, sino que también se conducirán de manera autónoma (si el sistema de navegación se incorporó al vehículo). Estas carreteras evitarían la congestión del tráfico al permitir que los automóviles viajen en una especie de tren de vehículos. Los autos se recargan durante el viaje usando un sistema eléctrico tipo Scalextric, o “twin rail”, instalado en el centro del carril. Gran parte de la electricidad podría provenir de paneles solares colocados en o sobre la carretera. El despliegue global de este sistema sería costoso, pero permitiría una reducción significativa del tamaño de las baterías con el correspondiente ahorro de metales escasos.

Fig. Carretera interurbana de tipo TEV, con la toma eléctrica desde el centro del carril

Si se eligiera un sistema TEV, su inversión de capital sería de 5.3 x 1013 USD, más que la inversión en la renovación de las flotas de transporte únicamente. En este caso, la inversión total sería de 9,8 x 1013 USD y la tasa de inversión debería ser del 2,2% del producto mundial bruto por año.

Se ha estimado que la inversión en infraestructura de transporte mundial entre 2014 y 2025 será de 14 x 1012 USD (Oxford Economics 2015), lo que equivale a 1,4 x 1012 USD por año como promedio para los próximos años. Por otro lado, la producción mundial para fabricación de vehículos fue de 66 millones de vehículos y casi 2 x 1012 euros de facturación global en 2005 (OICA 2006). En 2016, la producción mundial de vehículos fue de 95 millones (OICA 2015). Por lo tanto, si la facturación media por vehículo se ha mantenido aproximadamente igual, la facturación global debería ser actualmente de unos 2.9 x 1012 euros o 3.5 x 1012 USD por año. Esta cifra puede considerarse igual al gasto anual en vehículos nuevos. Si la transición se produjera en 30 años, su costo anual para la renovación de la flota de vehículos sería del 34% de los gastos anuales actuales en vehículos nuevos. Por lo tanto, este reemplazo es factible y puede considerarse como parte de la renovación habitual de la flota de transporte. Por otro lado, la inversión anual en infraestructura en puntos de recarga y almacenamiento de gas o un sistema TEV representaría el 0,4% y el 126% de la inversión actual en infraestructura de transporte si se utilizaran los puestos de recarga y el sistema TEV, respectivamente. Por lo tanto, una electrificación global de la red vial exigiría un esfuerzo de inversión adicional del 40% sobre los niveles actuales.

En el corto plazo, el escenario (i) (puntos de recarga) tiene el atractivo de un costo reducido pero puede mantener o incluso aumentar la sobrepoblación de automóviles en nuestras ciudades y, a largo plazo, puede causar un fuerte aumento de los precios del níquel y el litio, minerales usados ​​en baterías de automóviles. El escenario (ii) evitaría estos problemas haciendo posibles baterías de automóvil más pequeñas y haciendo que los puntos de recarga en las ciudades sean innecesarios, aunque a un costo muy elevado. Una tercera alternativa que evitaría los problemas de congestión en las ciudades y las altas inversiones de capital es compartir el automóvil. Este es un sistema para alquilar un auto por periodos cortos (de una hora) que evita la necesidad de poseer un automóvil y que podría reducir la flota de automóviles de pasajeros en un 69%, aumentando el tiempo promedio de uso para cada coche. Además, maximizaría el uso de ciclos de batería. Este tipo de sistema aparentemente está bien adaptado a la disminución del poder adquisitivo de las clases medias que se ha observado en los países desarrollados desde 2008, y a los precios relativamente altos de los automóviles eléctricos actuales.

En el escenario (i), la energía incorporada requerida para la transición de transporte es 16415 PJ, 91% para vehículos, 2.4% para aviones, 2.9% para barcos, 1.2% para electrificación de ferrocarriles, 1.8% para almacenamiento de gas y 0.2% para puestos de recarga. Esto equivale al 4,2% de la energía secundaria (en los puntos de consumo) producida en 2014 (IEA 2014) y al 16% de la energía secundaria consumida por el sector del transporte en 2014. Si la transición se produjera en 30 años, la inversión en energía sería de alrededor del 0,1% de la energía secundaria total por año (0,5% de la energía consumida por el transporte por año). En el escenario (ii), estas cifras serían 9.7% de la energía secundaria de 2014 y una inversión de 0.3% de energía secundaria de 2014 por año.

No hemos calculado aquí los nuevos requerimientos de infraestructura para el proceso de electricidad-a-gas y biodigestores que generen gas para todo el sistema económico. La transición también debería ir acompañada de una nueva infraestructura para la producción de energía renovable, respaldo, nuevas redes inteligentes para interconectar los sitios de producción, almacenamiento y consumo eléctrico, y ampliación de la actual red eléctrica de media tensión. Esas inversiones de capital y energía requeridas para la nueva infraestructura de una economía completa 100% renovable se estudiarán en otro lugar. Sin embargo, el hecho de que la energía incorporada en el capital fijo de la infraestructura de transporte es solo una fracción menor de la energía secundaria utilizada anualmente por la economía sugiere que la nueva infraestructura no será la principal parte del problema en una transición 100% renovable. La Tabla 4 muestra la energía anual que usaría el transporte presente y futuro, por sector.

Uso Final de Energía Energía Final en 2014 (PJ) Futura Energía Final (PJ)
Carreteras 82725 25293
Trenes 2195 1386
Barcos 10383 27255
Aviones 11556 24614 / 28774 / 48150 *
Gaseoductos/Transporte de gas 114 97
Total Transporte 101585 78646 / 82806 / 102182 *

Tabla 4. Energía estimada utilizada anualmente para el transporte presente y futuro, por sector.

* Los tres valores corresponden al uso de hidrógeno, metano y combustible de aviación, respectivamente, como combustible principal para las aeronaves

La demanda de energía si se utilizara hidrógeno o combustible de aviación para las aeronaves, en lugar de metano, también se incluye en la Tabla 4. Como se muestra en la tabla, un sistema de transporte 100% renovable que ofrezca el mismo servicio que el transporte mundial en 2014 demandaría aproximadamente un 18% menos de energía. La principal reducción se espera en el transporte por carretera (69%) debido a la mayor eficiencia de la energía de la batería en relación con la combustión interna, y el número limitado de vehículos de pila de combustible, que se supone que consisten solo en ambulancias, vehículos de policía y 10 % de los vehículos comerciales. El número de pilas de combustible en el transporte por carretera debería ser controlado debido a la necesidad de reservar las pilas de combustible para los vehículos especiales, el transporte marítimo, y a la vez mantener suficientes reservas de platino y paladio para otros usos industriales (García-Olivares 2015).

Por el contrario, los sectores del transporte marítimo y aéreo aumentarían notablemente sus consumos: 163% y 149%, respectivamente. Esto deriva de la necesidad de producir gas natural a partir de electricidad para alimentar los motores de aviones y barcos. Ello sugiere fuertes aumentos de precios en ambos tipos de servicios y una disminución en el transporte intercontinental. Esto puede producir cierta reubicación de la actividad económica. El uso de hidrógeno para alimentar aeronaves en lugar de metano ahorraría algo de energía, aunque a costa de mayores problemas de seguridad. Por otro lado, el uso de combustible de aviación aumentaría el consumo del sector aéreo en un 317% en relación con su consumo actual y haría que este sector consumiera el 47% de la demanda total de energía del sector del transporte (Tabla 4). Esto tendría un efecto dramático y, probablemente, insoportable en los precios y la movilidad aérea.

Para mantener los precios de los vuelos en niveles similares a los de hoy, la relación entre la energía consumida por el sector aéreo y la energía total disponible debería ser similar a la de la economía actual, alrededor del 3% (AIE 2014). Una futura economía 100% RE capaz de ofrecer el mismo servicio que una economía fósil contemporánea demandará alrededor del 87% de la energía de esta última (García-Olivares 2015); esto equivaldría a 342.110 PJ de consumo final para producir servicios similares a los de la economía de 2014. Si el sector aéreo consume el 3% de esta energía (10019 PJ), eso significa que el sector aéreo renovable debería tener el 35% del tamaño del sector aéreo en 2014 y consumir el 35% de la energía que se muestra en la columna 3 de la Tabla 4 para el sector aéreo. Una fracción más grande implicaría un aumento en los precios, y la Tabla 4 sugiere que este es el caso si tratamos de mantener el mismo servicio que en 2014, ya sea usando hidrógeno, metano o biocombustible de aviación. Proyectar el tamaño exacto y los aumentos de precios que un futuro sector aéreo tolerarían es un tema complejo que requeriría un análisis socioeconómico más allá del alcance de este estudio, pero hemos asumido un escenario con el 50% del número de aeronaves de 2014 como plausible.

Dada la actual falta de infraestructura aeroportuaria para almacenar metano o hidrógeno, en las próximas décadas podría ser necesario un mayor uso de biocombustibles de aviación para mitigar la huella de carbono de acuerdo con las recomendaciones del IPCC (Sgouridis et al., 2011). Sin embargo, en una economía 100% renovable, la construcción de tal infraestructura y el uso de metano o hidrógeno sería una opción más económica y ahorraría una cantidad importante de energía.
La transición al transporte aéreo y marítimo 100% renovable no implicaría ningún ahorro energético o monetario en comparación con el sistema actual. Por lo tanto, desde una perspectiva de racionalidad económica, la sustitución de combustibles fósiles en el transporte debería comenzar con el transporte terrestre -donde se ahorraría una mayor cantidad de energía y COa menor costo- y dejar la conversión renovable completa de los dos sectores anteriores para más tarde.

Los mercados invierten cada vez más en la producción y el transporte renovables, pero no a la tasa requerida para evitar un cambio climático irreversible (Sgouridis et al., 2016). El cambio tecnológico necesario y las inversiones en la implementación necesarias para la electrificación del transporte sugieren que un esfuerzo decisivo debería enfocarse hacia el ámbito político-práctico de los gobiernos.

Las principales limitaciones materiales que pueden poner en peligro el desarrollo a gran escala de baterías, motores eléctricos, pilas de combustible y aeronaves renovables son: reservas limitadas de litio y níquel, reservas limitadas de cobre, uso de metales raros como el platino y el paladio en pilas de combustible y los altos costos energéticos de sintetizar combustibles de avión a partir de la electricidad. Este estudio recomienda un conjunto de medidas para anticipar estos riesgos, que los gobiernos y la sociedad civil deberían apoyar y fomentar:

– Sustitución de la mayor parte del transporte terrestre interurbano actual, que se basa en camiones y automóviles privados, por trenes eléctricos para carga y pasajeros.

– Uso de vehículos eléctricos exclusivamente para el transporte a corta distancia entre ciudades sin alternativa de transporte público.

-Uso limitado de vehículos eléctricos, que se traduce en una flota relativamente pequeña. Una flota del tamaño de la actual podría considerarse un límite superior, pero no resolvería los problemas de congestión en las ciudades, podría aumentar los precios de metales importantes como Ni y Li, y podría poner en peligro su disponibilidad para otros usos industriales. Se debe dar prioridad al transporte público electrificado.

– Uso de pilas de combustible en vehículos especiales y sólo cuando lo exijan la autonomía y las necesidades de potencia del vehículo.

– Reducción de flotas de aviación en favor de (i) sistemas ferroviarios y (ii) transporte marítimo, en este orden.

– Reorganización y reducción del tráfico marítimo, ya que los buques de carga serán los principales consumidores de pilas de combustible de hidrógeno y biogás en el futuro.

– Optimización de la logística y el trabajo, para reducir la demanda de viajes.

– Desplazamiento de los modos de transporte desde ‘modos’ de alta a baja intensidad de energía. Los parámetros apropiados para cuantificar esta intensidad y priorizar serían kWh por pasajero-km y kWh por Tm-km.

-Mejora de la eficiencia energética no solo mediante el uso de las mejores tecnologías disponibles, sino también actuando sobre las infraestructuras de transporte público y urbano. El fomento de TaaS (Transporte como servicio) y el uso compartido de automóviles tienen un gran potencial para disminuir la demanda de energía y materiales del transporte por carretera.

Fig. El coche compartido es esencialmente un sistema de alquiler de coches que permite alquilarlos por tiempos breves, del orden de una hora

Algunas limitaciones del presente análisis incluyen la incertidumbre, imprevisibilidad o dificultad de proyectar factores como los siguientes:

-Aparición de tecnologías rompedoras que pudieran reemplazar recursos críticos o aliviar el déficit energético. Por ejemplo, no deberíamos descartar la sustitución del platino, e incluso del paladio, por materiales baratos, en las pilas de combustible en las próximas décadas. Así como la aparición de motores eléctricos de alta potencia que utilicen aluminio en lugar de bobinados de cobre.

-Evolución de la distribución de la población y las migraciones forzadas a consecuencia del cambio climático y las guerras futuras.

-Evolución de la desigualdad económica, que podría llegar a obstaculizar la inversión renovable en muchos países.

– Decisiones políticas y de mercado que fomenten vías específicas de transición del transporte actual de combustibles fósiles a formas particulares de transporte eléctrico. La evolución condicionada por el camino previo ha demostrado ser un mecanismo importante en la historia de los cambios tecnológicos.

– Recursos económicos disponibles en escenarios futuros de crisis climáticas y ambientales.

Otra conclusión de este estudio es que un sistema de transporte renovable es factible pero no necesariamente compatible con el crecimiento exponencial habitual del consumo de recursos. Estamos entrando en una era donde las inversiones requeridas en las próximas décadas implicarán el uso de grandes fracciones de las reservas de metales importantes como Cu, Ni, Li, Pt y Pa. Algunos de estos metales (por ejemplo, Pt y Pa) tienen propiedades físicas específicas que los hacen esenciales. Por lo tanto, cualquier política para la necesaria transición renovable ya no se puede basar exclusivamente en precios e incentivos, sino que también debe considerar las reservas geológicas y la escasez de materiales. En los próximos 50 años, la falta de elasticidad de las reservas de metales probablemente acelerará la necesidad de diseñar una economía pos-capitalista que utilice nuevas herramientas económicas. Algunas de estas herramientas serían el uso de indicadores geofísicos y de sostenibilidad, el abandono del PIB como el principal indicador del éxito económico, la incorporación en la economía de la planificación a largo plazo y la evaluación ambiental científica y, lo que es más importante, la introducción de nuevos mecanismos que puedan crear prosperidad sin necesariamente aumentar el consumo de recursos y materiales.

Fig. Una propuesta de índice económico alternativo al PIB: La Felicidad Nacional Bruta, con algunos de sus índices componentes, que serían todos ellos sujetos a evaluación anual

Referencias

Las referencias citadas pueden consultarse en el artículo original: García-Olivares A., Solé J., Osychenko O., 2018. Transportation in a 100% renewable energy system.  Energy Conversion and Management 158 (2018) 266–285. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.12.053

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