Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040

Treball de Fi de Màster Màster universitari en enginyeria industrial Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 MEMÒRIA Autor: Sara Lujan Tutusaus Director: Jordi Freixa Terradas Convocatòria: Juliol 2019 Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona Memòria Resum Actualment, el món en el que vivim es troba en una situació de canvi de mentalitat respecte als recursos energètics que s’havien tingut anteriorment. Degut al fet que cada cop més la societat ha aprofitat els recursos que ens ha ofert la naturalesa, s’ha acabat arribant a una situació crítica de contaminació i d’esgotament de recursos energètics a la que cal fer front per tal de mantenir el planeta en unes condicions adequades i evitar o minimitzar danys futurs, com el canvi climàtic, que es podrien produir o que ja s’estan produint. Degut al fet de l’existència d’aquesta problemàtica, s’han establert diverses polítiques per tal de minimitzar aquests efectes. El projecte d’estudi es basarà en dues polítiques que afectaran al territori espanyol en un futur a mig termini, ja que afecten a l’any 2040 però tenen una projecció al llarg dels anys de manera progressiva. La primera d’aquestes polítiques consta en la prohibició de circulació de vehicles de combustió al territori, començant per les gran ciutats i finalitzant amb la totalitat del territori. L’altra política que també afectarà al sistema energètic espanyol, serà la de tancar el total de centrals nuclears i de carbó del país en un termini de 20 anys. En el projecte es parteix d’aquestes premisses, i partint dels valors actuals de capacitat energètica espanyola i de demanda, es realitzarà un prognosis per tal de arribar a la situació que es prediu que es tindrà en el futur a mig termini. A partir d’aquestes dades, s’ha dissenyat una metodologia per poder acotar de manera òptima el sistema energètic espanyol que s’estima que es tindrà. Les dades que s’han definit i dimensionat han sigut la potència de les centrals de cicle combinat que s’hauran d’instal·lar per tal de suplir la demanda en els moments en que no es pugui suplir partint d’energies renovables no generadores de CO2, en el cas que la potència instal·lada actualment sigui inferior a la necessària, la inversió que haurà de realitzar aquesta població per tal de minimitzar les generacions de CO2 creant més potència instal·lada de centrals d’energies renovables i, per últim, la influencia del tancament de les centrals nuclears i de carbó. Com es podrà observar amb les dades obtingudes amb el programa, el fet de tancar les nuclears i de carbó de manera definitiva, impossibilitarà el fet de no generar emissions de CO2, ja que per tal de mantenir la robustesa del sistema, serà imprescindible comptar amb les centrals de cicle combinat. Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Índex 1. INTRODUCCIÓ ________________________________________________ 8 2. SITUACIÓ ENERGÈTICA ACTUAL AL TERRITORI ESPANYOL ________ 9 2.1. Producció d’energia ................................................................................................. 9 2.1.1. Centrals de generació elèctrica d’Espanya .................................................................... 17 2.2. Consum d’energia .................................................................................................. 22 2.3. Importacions i exportacions d’energia .................................................................... 27 3. PROBLEMÀTICA _____________________________________________ 30 3.1. Vehicle elèctric ....................................................................................................... 30 3.2. Centrals nuclears i de carbó ................................................................................... 34 4. METODOLOGIA D’ANÀLISI ____________________________________ 36 5. DADES D’ENTRADA __________________________________________ 53 5.1. Demanda energètica .............................................................................................. 53 5.1.1. Demanda energètica de l’any 2019 ................................................................................ 54 5.1.2. Demanda energètica de l’any 2040 ................................................................................ 56 5.1.3. Demanda energètica de l’any 2040 amb vehicles elèctrics ........................................... 58 5.2. Factors de càrrega eòlic i solar .............................................................................. 59 5.3. Centrals hidroelèctriques reversibles ..................................................................... 62 5.4. Condicions de contorn del programa ..................................................................... 64 6. ANÀLISI DE LA SITUACIÓ ENERGÈTICA AL TERRITORI ESPANYOL L’ANY 2040 _______________________________________________________ 68 6.1. Càlcul de la inversió ............................................................................................... 68 6.2. Anàlisi de la situació espanyola actual ................................................................... 70 6.3. Anàlisi de la situació espanyola al 2030 ................................................................. 74 6.4. Anàlisi de la situació espanyola al 2040 ................................................................. 75 6.5. Anàlisi de sensibilitat .............................................................................................. 80 7. CONCLUSIONS ______________________________________________ 84 8. PLANIFICACIÓ ______________________________________________ 85 9. PRESSUPOST _______________________________________________ 86 10. IMPACTE AMBIENTAL ________________________________________ 87 11. AGRAÏMENTS _______________________________________________ 88 REFERENCIES ___________________________________________________ 89 Memòria Índex de figures Figura 1 Distribució de generació d'energia a Espanya l'any 2018 ........................................ 9 Figura 2 Evolució de la contribució de l'energia renovable a la generació ............................ 10 Figura 3 Evolució de la contribució de l'energia eòlica a la generació .................................. 11 Figura 4 Evolució de la contribució de l'energia solar tèrmica a la generació ....................... 11 Figura 5 Evolució de la contribució de l'energia hidràulica a la generació ............................ 12 Figura 6 Evolució de la producció de CO2 a Espanya ......................................................... 16 Figura 7 Evolució de la producció de CO2 per 1000$ de PIB a Espanya ............................. 16 Figura 8 Evolució de la producció de CO2 per habitant a Espanya...................................... 16 Figura 9 Evolució de la demanda energètica total espanyola l'any 2016 ............................. 22 Figura 10 Evolució de la demanda energètica total espanyola l'any 2017 ........................... 22 Figura 11 Evolució de la demanda energètica total espanyola l'any 2018 ........................... 23 Figura 12 Evolució de la demanda i de la producció màxima mensuals l'any 2018 ............. 24 Figura 13 Hores de màxima demanda per mes ................................................................... 25 Figura 14 Distribució de la demanda al llarg del dia ............................................................. 26 Figura 15 Capacitat d'intercanvi comercial d’Espanya (MW) ................................................ 28 Figura 16 Implicacions de la nova normativa climàtica [9] .................................................... 31 Figura 17 Estructura vehicle combustió respecte a vehicle elèctric ...................................... 33 Figura 18 Previsió de tancament de les centrals nuclears a Espanya [10] ........................... 35 Figura 19 Esquema de funcionament del programa............................................................. 36 Figura 20 Esquema de funcionament del programa............................................................. 41 Figura 21 Evolució demanda energètica al novembre ......................................................... 55 Figura 22Evolució demanda energètica al febrer ................................................................. 55 Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Figura 23 Evolució de la demanda energètica el dia 6 de febrer de 2019 a la península ..... 56 Figura 24 Evolució de la població espanyola ....................................................................... 57 Figura 25 Extrapolació de l'evolució de la demanda energètica ........................................... 57 Figura 26 Evolució de la demanda tenint en compte els factors població i vehicle elèctric .. 59 Figura 27 Evolució del factor de càrrega de l'energia eòlica per a les dues setmanes de novembre ............................................................................................................................. 60 Figura 28 Evolució del factor de càrrega de l'energia solar per a les dues setmanes de novembre ............................................................................................................................. 60 Figura 29 Evolució del factor de càrrega de l'energia eòlica per a les dues setmanes de febrer ............................................................................................................................................. 61 Figura 30 Evolució del factor de càrrega de l'energia solar per a les dues setmanes de febrer ............................................................................................................................................. 61 Figura 31 Reserves hidroelèctriques .................................................................................... 63 Figura 32 Càlcul de la inversió òptima .................................................................................. 69 Figura 33 Distribució òptima del sistema energètic actual .................................................... 71 Figura 34 Potència de cicle combinat generada en la situació òptima actual ....................... 72 Figura 35 Distribució del mix d'energia òptim actual ............................................................. 73 Figura 36 Distribució del mix energètic al 2030 .................................................................... 74 Figura 37 Distribució de la demanda a la situació futura ...................................................... 75 Figura 38 Distribució òptima del sistema energètic futur ...................................................... 76 Figura 39 Evolució de les reserves en pantans al 2040 ....................................................... 77 Figura 40 Evolució de la potència generada amb cicle combinat al 2040 ............................ 78 Figura 41 Evolució de la potència exportada al 2040 ........................................................... 78 Figura 42 Distribució del mix d'energia òptim futur ............................................................... 79 Figura 43 Límits de potència generada eòlica ...................................................................... 81 Memòria Figura 44 Límits de potència generada solar ....................................................................... 81 Figura 45 Límits de potència generada per cicle combinat .................................................. 81 Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Índex de taules Taula 1 Generació d'energia a Espanya l'any 2018 per tipus de recurs ............................... 13 Taula 2 Generació d'energia a Espanya l'any 2018 per tipus de generació ......................... 14 Taula 3 Distribució energia eòlica per comunitats autònomes .............................................. 18 Taula 4 Distribució energia hidràulica per comunitats autònomes ........................................ 19 Taula 5 Distribució energia solar fotovoltaica per comunitats autònomes ............................ 21 Taula 6 Importacions i exportacions espanyoles anuals (GWh) ........................................... 29 Taula 7 Cost d'instal·lació d'energia solar fotovoltaica ......................................................... 65 Taula 8 Estimació de l’evolució de la població espanyola .................................................... 66 Taula 9 Valors trobats en les situacions límit ........................................................................ 83 Taula 10 Planificació temporal del projecte .......................................................................... 85 Taula 11 Despesa deguda a la implementació del model .................................................... 86 Taula 12 Despesa deguda a la implementació del model .................................................... 87 Pág. 8 Memòria 1. Introducció En aquest projecte es tractarà sobre algunes de les polítiques que molt probablement s’aplicaran al territori espanyol per tal de fer front al canvi climàtic que s’està produint en el món en el que vivim, amb una projecció de cara a l’any 2040 però amb una progressió escalonada en els anys per tal de que el canvi sigui menys agressiu. Els escenaris o polítiques que s’analitzaran al llarg del projecte són el fet de prohibir la circulació de vehicles de combustió pel territori, d’una forma escalonada, substituint aquests per vehicles elèctrics i, d’altra banda, el tancament de les centrals nuclears progressivament segons l’antiguitat d’aquestes. L’anàlisi es centrarà íntegrament en aquestes dues polítiques i en l’evolució de la població del territori espanyol al llarg dels anys per tal de definir quina serà la demanda energètica en l’evolució del temps, ja que s’ha considerat que aquestes dades poden tenir una variació significativa en l’estructura energètica espanyola i, d’aquesta manera, es podrà quantificar aquesta afectació. Per tant, un dels objectius d’aquest projecte serà el d’analitzar cada una d’aquestes polítiques íntegrament per poder deduir com aniran afectant al llarg dels anys al sistema energètic espanyol, després d’haver realitzat un anàlisi de la situació espanyola actual per tal de poder entendre quin és el punt de partida. Amb la deducció de la situació futura de demanda energètica espanyola s’analitzarà quines són les potències renovables que s’hauran d’instal·lar, per tal de que amb el mínim d’inversió es pugui aconseguir un balanç neutre entre la demanda i la producció total. A més a més, es valorarà l’afectació de la variació de les diferents variables en el resultats a partir d’un anàlisi de sensibilitat. Per fer-ho, es dissenyarà un programa informàtic mitjançant el llenguatge Python, que permetrà realitzar diferents iteracions fins arribar a la solució òptima. Aquest programa es dissenyarà de manera que no sigui exclusiu per al sistema espanyol, sinó que pugui ser utilitzat per a analitzar qualsevol sistema energètic prou acotat. Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 9 2. Situació energètica actual al territori espanyol 2.1. Producció d’energia Per tal de poder realitzar una previsió del que serà la situació energètica espanyola al 2040, caldrà primer de tot estudiar com està organitzat el sistema energètic del territori actualment. Per fer-ho, s’ha consultat la web oficial de la Red Eléctrica Española [1], d’on s’han pogut obtenir dades de com està distribuïda la generació d’energia del país, mes a mes i per un registre d’anys des del 2007 fins al 2018. A continuació es pot observar com està distribuïda la generació d’energia segons la font de la que prové, per a l’any 2018 (veure figura 1): Figura 1 Distribució de generació d'energia a Espanya l'any 2018 Distribució energètica d'Espanya l'any 2018 Hidráulica Turbinación bombeo Nuclear Carbón Fuel + Gas (2) Ciclo combinado (3) Hidroeólica Eólica Solar fotovoltaica Solar térmica Térmica renovable (4)/Otras renovables (5) Cogeneración y resto (4)/Cogeneración Residuos no renovables (6) Residuos renovables (6) Pág. 16 Memòria Figura 6 Evolució de la producció de CO2 a Espanya Figura 7 Evolució de la producció de CO2 per 1000$ de PIB a Espanya Figura 8 Evolució de la producció de CO2 per habitant a Espanya 200000 220000 240000 260000 280000 300000 320000 340000 360000 380000 400000 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 Kts CO2 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 kg CO2 /1000$ 4 5 6 7 8 9 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 tones CO2 / habitant Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 17 Com s’ha comentat, la generació de diòxid de carboni al territori espanyol va ser superior als valors que es tenen actualment, començant a disminuir a partir de l’any 2007 on es va patir un significant descens del seu valor. Aquest valor s’ha anat mantenint fins a l’actualitat. Es podria pensar que un dels motius d’aquesta disminució ve provocada per una sensibilització de la societat pel que fa l’entorn, a partir d’una optimització dels processos industrials, així com d’altres activitats humanes que provoquen una generació d’aquest cas causant de l’efecte hivernacle i del canvi climàtic. 2.1.1. Centrals de generació elèctrica d’Espanya Per últim, i per tal de tenir un anàlisis complert de quina és la situació energètica al territori espanyol actual, caldrà analitzar quines són les principals centrals de generació d’energia renovable que estan funcionant actualment. D’aquesta manera, es podran prendre aquestes centrals com exemple a l’hora de crear un sistema menys perjudicial per a l’entorn en el futur. Ens centrarem en els tres tipus de centrals que s’han comentat anteriorment: les eòliques i les hidràuliques, ja que com s’ha vist són les que proporcionen més energia al mix del país i també les solars fotovoltaiques, ja que aquestes es bases en una tecnologia que cada vegada es troba més desenvolupada. Centrals eòliques Pel que fa a l’energia d’origen eòlic, l’energia produïda al territori espanyol l’any 2018 va ser de 48902 GWh, sent aquesta la segona font d’energia amb més generació del país. La distribució d’aquesta font d’energia a les diferents comunitats autònomes per l’any 2017 va ser el següent (veure taula 3): Pág. 18 Memòria Eòlica (MW) Eòlica (MW) Astúries 518 Madrid 0 Cantabria 35 Melilla 0 Castella lleó 5591 Balears 4 País Basc 153 Navarra 995 La Rioja 448 Murcia 263 Castella la manxa 3847 C. Valenciana 1205 Galicia 3343 Aragó 1924 Catalunya 1269 Canàries 207 Andalusia 3327 Ceuta 0 Extremadura 0 Taula 3 Distribució energia eòlica per comunitats autònomes Com es pot observar a la taula, les tres comunitats autònomes amb una major potència eòlica instal·lada són Castella i Lleó, Castella - la Manxa, Galícia i Andalusia. Catalunya es troba en cinquena posició, amb una potència instal·lada de 1269 MW, un 5,5% del total instal·lat a Espanya. Segons la web Renovables Verdes [4], el parc eòlic amb una potència instal·lada major a Espanya es troba a Huelva, al sud de la província andalusa. Aquest està format per una total de 8 parcs eòlics: Majal Alto (50 MW), Los Lirios (48 MW), El Saucito (30 MW), El Centenar (40 MW), La Tallisca (40 MW), La Retuerta (38 MW), Las Cabezas (18 MW) y Valdefuentes (28 MW). Tot el conjunt de parcs eòlics sumen un total de 292 MW, gairebé un 50% del total instal·lat a la comunitat autònoma. Amb aquesta quantitat d’energia generada es permet evitar aproximadament una emissió de 510000 tones de CO2, i permet abastir unes 140000 llars. Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 19 Centrals hidràuliques D’altra banda, pel que fa a les centrals que produeixen energia a partir de l’aigua, les centrals hidràuliques, van produir un total de 34097 GWh en el territori espanyol al llarg de l’any 2018. Observant aquest valor es pot dir que aquesta va ser la quarta font que més energia elèctrica va permetre produir al país en aquell any. De la mateixa manera que s’ha fet per a les centrals eòliques, es mostra a continuació una taula on es presenta la potència d’energia hidràulica identificada per comunitat autònoma en l’any 2017 (veure taula 4): Hidràulica (MW) Hidràulica (MW) Astúries 805 Madrid 109 Cantabria 99 Melilla 0 Castella lleó 4401 Balears 0 País Basc 171 Navarra 255 La Rioja 52 Murcia 34 Castella la manxa 650 C. Valenciana 640 Galicia 3702 Aragó 1334 Catalunya 1913 Canàries 2 Andalusia 590 Ceuta 0 Extremadura 2278 Taula 4 Distribució energia hidràulica per comunitats autònomes Com es pot observar a la taula, les tres comunitats autònomes amb més potència hidràulica instal·lada son: Castella i Lleó, Galícia i Extremadura. Pel que fa a Catalunya, aquesta es troba en quarta posició, per tant, en una millor posició en relació als altres tipus d’energia que en el cas de l’eòlica, amb un percentatge en relació a la potència instal·lada total d’energia Pág. 20 Memòria hidràulica en el territori del 11,2%. A partir de la web Renovables Verdes [5], la central hidràulica amb més importància en el territori espanyol, pel que fa a la seva potència instal·lada, es troba a Aldeadávila, a Castellà i lleó. Aquesta està formada per dues centrals hidroelèctriques, Aldeadávila I i Aldeadávila II. La primera va ser posada en marxa l’any 1962 i té una potencia instal·lada de 810 MW, mentre que la segona es va posar en marxa l’any 1986 i disposa d’una potència instal·lada de 433 MW. La producció mitjana anual de tota la central hidràulica és de 2400 GWh. Centrals solars fotovoltaiques Per últim, es tractaran les centrals solars fotovoltaiques, és a dir, aquelles que produeixen energia elèctrica a partir de la llum solar. Aquest tipus de centrals van produir un total de 7363 GWh en el territori espanyol al llarg de l’any 2018. Per tal de seguir amb la forma d’estudi que s’ha realitzat per les centrals eòliques i les hidràuliques, es mostrarà a continuació la taula de com es va repartir la potència instal·lada d’aquest tipus d’energia per a l’any 2017 a Espanya (veure taula 5): Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 21 Solar fotovoltaica (MW) Solar fotovoltaica (MW) Astúries 1 Madrid 64 Cantabria 2 Melilla 0 Castella lleó 495 Balears 80 País Basc 27 Navarra 161 La Rioja 86 Murcia 437 Castella la manxa 925 C. Valenciana 349 Galicia 17 Aragó 169 Catalunya 267 Canàries 167 Andalusia 879 Ceuta 0 Extremadura 564 Taula 5 Distribució energia solar fotovoltaica per comunitats autònomes Pel que es pot observar a la taula, les tres comunitats amb una potència solar fotovoltaica instal·lada més significativa per a l’any 2017 van ser Castella la manxa, Andalusia i Extremadura. Catalunya es va quedar en setena posició, força més endarrerida que en els casos de l’energia eòlica i hidràulica. Aquesta va suposar una contribució del 5,7% en referencia al total instal·lat d’aquest tipus d’energia. Pág. 22 Memòria 2.2. Consum d’energia Una vegada analitzada la situació actual del territori espanyol pel que fa a la producció d’energia, es procedirà a l’anàlisi del consum d’aquesta, per tal de observar si ens trobem en una situació de dèficit o d’excés d’energia, i si són necessàries les importacions o exportacions amb altres països actualment. Tenint aquesta situació inicial ens serà més senzill conèixer en quina situació ens podrem trobar en un futur amb les noves polítiques que es preveu introduir i que s’introduiran en el següent apartat. Primerament, a partir de dades de la Red Eléctrica Española [1] , s’analitzarà la variació de la demanda al dels anys 2016, 2017 i 2018 (veure figures 9, 10 i 11): Figura 9 Evolució de la demanda energètica total espanyola l'any 2016 Figura 10 Evolució de la demanda energètica total espanyola l'any 2017 19.500 20.000 20.500 21.000 21.500 22.000 22.500 0 2 4 6 8 10 12 14 Demanda 2016 18.000 19.000 20.000 21.000 22.000 23.000 24.000 0 2 4 6 8 10 12 14 Demanda 2017 Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 23 Figura 11 Evolució de la demanda energètica total espanyola l'any 2018 Com es pot observar, en el registre dels últims tres anys de la demanda a Espanya trobem que hi ha una important fluctuació per al llarg de les diferents estacions de l’any. Encara que l’evolució té algunes diferencies per als tres anys que s’estan analitzant, es pot observar algun tret comú en els gràfics, com per exemple l’augment de la demanda en els mesos d’estiu i en els mesos d’hivern, i la baixada de demanda en els mesos que corresponen a la primavera i a la tardor. Aquestes diferencies es deuen a que amb unes temperatures més radicals, tant a l’alça en l’hivern com a la baixa a l’estiu, l’ús d’aparells de climatització fan augmentar fortament el consum. D’altra banda, les temperatures moderades per als mesos pertanyents a la primavera i a la tardor, permeten prescindir d’aquests aparells de climatització. Un cop observada aquesta variable de variació, es pot determinar que per l’estudi a realitzar caldrà analitzar un període de temps que contempli tot l’any, degut a que aquesta variable no es manté constant. Una altra alternativa, segons la facilitat d’obtenir les dades necessàries per obtenir resultats, seria la d’analitzar el període de temps que sigui més crític en termes de demanda. Per tant, observant els períodes de més fred o de més calor per un any, s’obtindrà la situació més crítica del territori espanyol, i d’aquesta manera es podrà obtenir un dimensionament més conservador de les centrals generadores d’energies per una situació futura en el territori espanyol. Seguint amb l’anàlisi de les gràfiques obtingudes, el valor mitjà de les dades va ser de 20807 19.500 20.000 20.500 21.000 21.500 22.000 22.500 23.000 0 2 4 6 8 10 12 14 Demanda 2018 Pág. 24 Memòria GWh al 2016, de 21042 GWh al 2017 i de 21125 GWh al 2018. Malgrat que s’observa una tendència al creixement entre aquests valors, la variació entre el valor mitjà del 2016 i el del 2018 resulta ser solament un 1,51%, per tant es pot dir que no hi ha hagut un creixement significatiu en els últims tres anys de la demanda d’energia. La variació entre els valors mínims i màxims de les mitjanes mensuals per cada any ha sigut de 2511 GWh al 2016, 4115 GWh al 2017 i 2674 GWh al 2018. Com es pot comprovar, la variació va ser significativa l’any 2017, en el que es va tenir un valor mínim de 18963 GWh a l’abril i un valor màxim de 23078 GWh al gener. Com s’ha comentat anteriorment, el mes de demanda mínima correspon a una estació de l’any amb temperatura moderada, a la primavera, i el més amb major demanda correspon a una època de l’any on les temperatures són més extremes, com és el cas del mes de gener. Una vegada realitzat aquest anàlisis a escala anual, s’ha passat a analitzar les situacions més crítiques de demanda per al territori espanyol. Per fer-ho, s’ha estudiat mes a mes quin ha sigut el dia i la hora en el que la demanda va ser major i, per tal de veure si la potència instal·lada ha pogut abastir aquesta demanda, s’ha estudiat també quina ha sigut la màxima potència que s’ha pogut obtenir de la instal·lada, per a cada mes (veure figura 12). Figura 12 Evolució de la demanda i de la producció màxima mensuals l'any 2018 30000 32000 34000 36000 38000 40000 42000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Evolució mensual de la demanda [MW] Potencia instantánea (MW) Demanda horaria (MWh) Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 25 Com es pot observar, per a l’any 2018, tots els valors pics mensuals de demanda han pogut suplir-se amb la potència instal·lada en el territori. El valor màxim de demanda ha sigut de 40611 MWh el dia 8 de febrer de 2018 a les 21h de la nit . Per tant, podem dir que el mes amb una demanda pic més important d’energia en el territori és el mes de febrer. Si s’observa quina és l’hora del dia en el que el consum és major, es pot observar el següent (veure figura 13): Figura 13 Hores de màxima demanda per mes En els mesos d’hivern, les hores on la demanda assoleix uns valors més alts són a última hora de la nit, quan les temperatures són més baixes, mentre que als mesos d’estiu, aquests valors màxims s’assoleixen al migdia, moment del dia en que les temperatures són més altes i es fa ús del climatitzador. Com es pot observar, existeix una clara relació entre la temperatura de l’entorn i el consum d’energia que es realitza. També té influencia que aquestes hores siguin aquelles en les que les persones es troben treballant o a casa, però realitzant activitats, ja que durant les hores de descans a la matinada el consum no és màxim malgrat la temperatura a l’hivern si que és més crítica. El fet de que existeixin hores punta de demanda provoca que sigui més complicat suplir aquesta demanda amb la potència que es té instal·lada en el territori. És per això que durant aquestes hores caldrà que treballin les centrals que produeixen energia d’una forma més costosa, econòmicament parlant, que resultarà que són també les que més CO2 emeten. 0 5 10 15 20 25 12345678910 11 12 Hores de màxima demanda per mes Pág. 32 Memòria treballar per adaptar-se a aquest futur proper en el que només es podrà comptar amb el vehicle elèctric. Com bé s’ha comentat, el primer punt a favor dels vehicles elèctrics i el motiu pel qual s’ha decidit apostar per aquesta tecnologia és el fet de que són respectuosos amb el medi ambient, ja que poden obtenir l’energia amb la que funcionen de forma renovable. Sí que és cert que la idea principal de treballar amb els vehicles elèctrics és que l’energia elèctrica que s’obtingui provingui en la seva majoria des d’una font renovable, ja que en cas que l’energia motriu s’obtingués generant diòxid de carboni i altres gasos que poden afectar a la salut de les persones (CO + NOX), es perdria l’avantatge d’evitar la combustió en el motor i, en conseqüència, l’emissió de gasos contaminants. Un altre punt fort dels vehicles elèctrics és que aquests no generen tant soroll com en el cas dels vehicles de combustió, fet que millorarà la qualitat de vida a les grans ciutats on s’acumula molt de transit. En termes econòmics, aquests vehicles també poden tenir punts positius ja que al ser més senzills en la seva estructura mecànica, són menys propensos a patir averies per fatiga de les peces que el componen, paguen menys impostos que un vehicle de combustió i surten més rentables pel que fa al consum d’energia. A més a més, el cicle de funcionament d’aquests motors té un rendiment més elevat que els del vehicles de combustió, aproximadament d’un 90% (al qual s’hauria d’afegir el rendiment de les centrals elèctriques de les quals prové l’energia que els alimenta) respecte un 25%, que seria el rendiment màxim d’un motor de cicle Otto. A continuació s’observa una imatge esquemàtica del mecanisme d’un motor elèctric (vehicle de la dreta) enfront del que seria el mecanisme d’un motor de combustió (vehicle de l’esquerra), en el que es pot observar com l’estructura del mecanisme elèctric és molt més senzilla (veure figura 17): Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 33 Figura 17 Estructura vehicle combustió respecte a vehicle elèctric Per altra banda, cal remarcar que la tecnologia que envolta el vehicle elèctric es troba en fase de desenvolupament, ja que aquesta presenta certs inconvenient que caldrà millorar per tal de que sigui prou fiable com per substituir la seva tecnologia antecessora. El primer desavantatge és el fet de que aquests vehicles disposen de poca autonomia en comparació amb els vehicles híbrids i els de combustió, ja que aquests s’han de carregar amb una freqüència molt més elevada. Per altra banda, el temps de càrrega és molt superior al dels vehicles de combustió, pel que es pot dir que actualment no es poden considerar vehicles per recórrer grans distancies i, en cas que el seu ús fos aquests, s’hauria de tenir molt clara la planificació del viatge per tal d’assegurar que el cotxe es podria suplir d’energia en tot el recorregut. Un altra punt feble de la tecnologia és la baixa extensió de punts de recarrega al territori espanyol, ja que tot i que cada vegada es poden trobar més zones on carregar el vehicle elèctric, aquest país és un dels que en té menys de la unió europea, amb trams on pot arribar a ser complicat trobar-ne algun. Per últim, cal tenir en compte el fet de que treballin a partir de bateries. Aquestes estan compostes d’elements amb preus elevats, fet que fa incrementar el preu de venta dels vehicles elèctrics i el preu de canvi d’aquesta en el cas que tingués algun tipus d’averia, ja que solen tenir una vida útil inferior a la que estan oferint actualment als vehicles de Pág. 34 Memòria combustió. Per tant, és molt probable que en algun moment del seu ús aquesta s’hagi de canviar. La segona implicació significativa que es generarà la introducció d’aquesta normativa, i que es la que tindrà un paper principal en aquest projecte, és el fet d’incrementar la demanda d’energia elèctrica en el territori. Degut a que es deixaran de consumir combustibles per tal de moure els vehicles, i tota aquesta energia que s’obtenia passarà a ser demandada com energia elèctrica, caldrà veure si el territori serà capaç de fer front a aquesta situació amb els recursos que es tindran en un futur seguint les instruccions de la normativa en la seva totalitat, o caldrà dimensionar alguna central nuclear o de cicle combinat per tal d’obtenir una situació més conservadora. 3.2. Centrals nuclears i de carbó Per altra banda, s’ha estat anunciant a la premsa [10] la iniciativa del govern de tancar les centrals nuclears del territori. Aquest acció podria suposar un gran problema energètic, degut a la gran aportació d’energia que hi estan realitzant actualment, que com bé s’ha comentat a l’apartat anterior d’aquest projecte, representa un 20,4% del total d’energia elèctrica proporcionada a Espanya sent la font que genera una quantitat més elevada d’electricitat. El tancament d’aquestes centrals nuclears es faria de forma escalonada, entre el 2025 i el 2035, començant pel reactor Almaraz al 2027 i finalitzant pel reactor Trillo al 2035. L’ordre de tancament de les centrals nuclears vindrà determinat per l’edat dels reactor. Aquests es començaran a tancar a partir dels 40 anys d’antiguitat. El territori espanyol compta actualment amb 7 reactors que es troben en funcionament. En la següent imatge es pot observar quin serà l’ordre de tancament de cadascun d’aquests (veure figura 18): Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 35 Figura 18 Previsió de tancament de les centrals nuclears a Espanya [10] Com es pot observar segons aquesta previsió, a l’any 2035 al territori espanyol s’han perdut 7405,8 MW de potència elèctrica instal·lada. Per tant, en el projecte caldrà tenir en compte també aquesta política, degut a la qual es deixarà de disposar de l’energia nuclear, per tal de poder dimensionar el sistema energètic espanyol tenint en compte l’increment de demanda que suposarà el fet de només tenir vehicles elèctrics. Pel que fa a l’energia de procedència del carbó, aquesta està en debat de si s’eliminarà, de la mateixa manera que es farà amb les centrals nuclears. Aquesta política d’eliminació, segons la web Energia 16 [11], té origen a inicis de l’any 2018 de la mà de la Comissió nacional de mercats i de la competència (CNMC). Per tal de realitzar una previsió conservadora de la situació al 2040, en l’anàlisi que es realitzarà es prescindirà també d’aquestes. Pág. 36 Memòria 4. Metodologia d’anàlisi A continuació s’explicarà quin ha sigut el procediment seguit per tal d’obtenir quina serà la situació energètica final. S’ha decidit establir una simulació en la qual els valors d’entrada seran una previsió dels valors futurs que es tindran en la situació que es vol analitzar. L’estructura bàsica d’aquest programa es pot observar al diagrama següent (veure figura 19): Figura 19 Esquema de funcionament del programa El procediment d’aquesta programació consta primer de tot en definir quina serà la potència total que es podrà produir amb els recursos dels quals disposa el territori a estudiar, és a dir, amb l’energia provinent de l’aire i del sol del territori, a partir dels factors de càrrega de les centrals eòliques i les instal·lacions solars fotovoltaiques. Aquestes dues potències es distribuiran òptimament segons els costos d’instal·lació de cada recurs i les inversions que realitzi la societat del territori. A aquestes s’hi afegirà la producció provinent d’energia hidràulica i nuclear, que es consideraran constants. Per aquesta programació s’ha decidit no BLOC 4: Càlcul dels valors finals i exportació de dades BLOC 3: Càlculs de les variables amb el valor de repartiment d'inversió definitiu Es troba, per cada hora, quina serà l'aportació de cada tipus d'energia BLOC 2: Càlcul del valor òptim de repartiment de la inversió Es realitza el càlcul de potència obtinguda a partir de centrals de cicle combinat per a tots els valors de repartiment d'inversió i es tria l'òptim BLOC 1: Importació de dades S'importen les dades de demanda energètica, de factors de càrrega solar i eòlic i d'altres condicions de contorn necessaries per al programa Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 37 comptar amb l’energia procedent de centrals de carbó, que malgrat no considerar-se en un futur, servirien per definir la situació actual, ja que s’ha decidit comptar amb un únic tipus d’energia generadora d’emissions de diòxid de carboni, el gas natural, per tal de simplificar. Una vegada s’hagi obtingut el total d’energia que es produeix, es compararà amb el que es necessita segons la demanda, i es valorarà si el territori es troba en situació de dèficit o d’excés d’energia produïda. En el primer cas, és a dir, quan s’hagi produït menys energia de la necessària es passarà a obtenir l’energia que falta de centrals hidràuliques reversibles i, en el cas que aquesta sigui insuficient, s’obtindrà energia dimensionant centrals de cicle combinat (aquestes produiran CO2) per tal de mantenir la autosuficiència energètica del país. En el segon cas, quan s’hagi produït un excés d’energia respecte el que es demanava, l’aigua es bombejarà en centrals hidroelèctriques reversibles per tal d’emmagatzemar energia per quan sigui necessària, i en el cas que ja no se’n pugui bombejar més perquè els embasaments es troben plens, l’energia sobrant s’exportarà. El codi utilitzat s’ha treballat a través del programa Spyder, ja que és una plataforma lliure, senzilla d’utilitzar i permet la codificació amb el llenguatge Python. Aquest està estructurat de la següent manera: Primer de tot s’importen les llibreries necessàries per executar les diferents funcions que implica la programació realitzada. Tot seguit, s’ha definit quines seran les variables fixes, aquelles que no canviaran al llarg de l’execució del programa. S’ha decidit definir-les d’aquesta forma per poder-les tenir ben identificades a l’hora de realitzar els càlculs pertinents. Aquestes variables s’introduiran al programa a través d’un arxiu de dades “data.dat” A continuació es definirà cada una de les variables a partir dels valors de la matriu “data”. Aquestes variables, de les quals s’explicarà el seu significat a continuació, sumen un total de 14 valors: • nuclear [kW per capita]: variable que determinarà quina és la potencia generada a través d’energia nuclear per habitant al territori d’estudi. Degut a que l’escenari del 2040 per al territori espanyol implica prescindir d’aquest tipus d’energies, caldrà Pág. 38 Memòria tenir en compte que aquest valor haurà de ser 0 si es decideix complir amb aquesta normativa totalment, o donar-li un cert valor si es decideix mantenir alguna central de tipus nuclear. • hydro [kW]: variable que determinarà la potencia generada amb recursos hidràulics del territori a analitzar en les simulacions que es facin en el programa. • Ppumpmax [kW]: variable que determinarà la potència màxima de les bombes que permeten el bombeig d’energia hidràulica, per tal d’absorbir el restant entre la producció i la demanda en un espai de temps concret, i d’aquesta manera poder aprofitar-la en el moment que sigui necessari. • Pturbmax [kW]: variable que determinarà la potència màxima de les turbines que permetran aprofitar aquest sobrant d’energia produïda per les fonts renovables, entre la producció i la demanda, en un espai de temps concret. • Estoragemax [kWh]: variable que determinarà el volum d’aigua màxim en pantans en centrals hidroelèctriques del que disposa el territori a estudiar, en termes d’energia, ja que d’aquesta manera es permetrà estudiar el flux amb l’alçada del salt conjuntament. Aquest volum d’aigua servirà per convertir l’energia renovable que s’hagi produït en un espai de temps en el que la demanda no ha sigut suficientment elevada com per poder absorbir tota la producció, en energia potencial elevant tot aquest volum a una altura determinada a partir de bombeig i d’una presa d’aigua. Serà molt interessant valorar la importància d’aquesta variable, i aconseguir-ne un valor prou elevat, ja que d’aquesta manera el rendiment de les energies renovables es veurà beneficiat. • Estorageaverage [kWh]: variable que determinarà el volum mitjà ocupat als pantans de centrals hidroelèctriques, també en termes d’energia. • costsolar [euros per kW]: variable que determinarà el preu per unitat d’energia, en kW, que suposa instal·lar una instal·lació solar fotovoltaica al territori. • costwind [euros per kW]: variable que determinarà el preu per unitat d’energia, en kW, que suposa instal·lar una central eòlica al territori. • Pinstcombcycle [kW]: potència instal·lada en centrals de cicle combinat actualment al territori. • Pinstsolar [kW]: potència instal·lada en centrals solars fotovoltaiques actualment al territori. • Pinstwind [kW]: potència instal·lada en centrals eòliques actualment al territori. Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 39 • population [habitants]: variable que determinarà el total de la població que consumirà energia en el territori d’estudi en l’espai de temps concret en que s’apliqui la valoració. • investment [€ per habitant]: variable que determinarà la inversió que haurà de realitzar cadascun dels habitants dins dels límits del territori per aconseguir instal·lar la potència necessària a través de les energies eòlica i solar fotovoltaica. • CO2factor [kgCO2/kWhcombcycle]: variable que determinarà quants kg de CO2 s’obtindran per kWh generat en centrals de cicle combinat en el període d’estudi. El pas següent que segueix el programa definit es basa en importar la matriu on es troba introduïda la demanda energètica de la població i, en base la dimensió d’aquesta, s’inicialitzen les dades variables: • dim: defineix la longitud del vector Pdemand, que és en el que s’hauran introduït prèviament a l’execució del programa les dades de demanda de la població. Aquest vector és útil per definir totes les variables que hauran de tenir les mateixes dimensions que la demanda. • Pwind: fa referencia a la potencia generada òptima que s’obtindrà a partir de l’energia del vent, per a cada valor de demanda. • Psolar: fa referencia a la potencia òptima que s’obtindrà a partir de l’energia solar, per a cada valor de demanda. • Pnuclear: defineix l’energia nuclear generada per totalitat dels habitants del territori, amb un valor constant independent de la demanda que s’estigui produint en aquell espai de temps. La dimensió d’aquest vector també correspon a la dimensió de la demanda, encara que amb un valor constant. • Phydro: defineix l’energia hidràulica generada per totalitat de superfície del territori, amb un valor constant independent de la demanda que s’estigui produint en aquell espai de temps. La dimensió d’aquest vector també correspon a la dimensió de la demanda, encara que amb un valor constant. • Ppump: vector que servirà per definir la potència de bombeig que s’haurà de tenir per a cada una de les situacions establertes a la matriu de dades de demanda. En el cas que es produeixi un sobrant d’energia, aquest valor serà positiu. Pág. 40 Memòria • Pturbine: vector que servirà per definir la potència de turbinat que s’haurà de tenir per a cada una de les situacions establertes a la matriu de dades de demanda. En el cas que hi hagi un dèficit d’energia, aquest valor serà positiu. • Pgen: aquest vector servirà per definir el total d’energia generada amb les condicions climàtiques del territori (energia solar i eòlica) i amb les potències hidràuliques i nuclears instal·lades. • Pdif: aquest valor calcularà la diferencia entre la potència total generada, calculada en el vector Pgen, i la potència que demanda la població del territori. • Pexport: vector que servirà per definir quin serà el volum de potència que s’exportarà, una vegada s’ha consumit una part per suplir la demanda i, a continuació, s’han omplert tots els volums de reserves per emmagatzemar l’energia sobrant. En altres paraules, en cas que la demanda estigui coberta i les reserves estiguin plenes, es podrà procedir a l’exportació d’energia. • Pcombcycle: vector que servirà per definir quin serà el volum de potència que s’haurà d’obtenir a partir de centrals de cicle combinat, una vegada s’han buidat els pantans per obtenir energia i s’ha calculat tot el que permet produir el territori a partir de les diferents fonts, per tal de suplir la totalitat de la demanda. • Estorageaverage: defineix el volum d’emmagatzematge d’energia produïda sobrant en forma d’energia potencial d’aigua de preses. S’inicia amb un valor concret i constant per a totes les situacions de demanda introduïdes a la matriu “demand.dat”. • Prenewfinal: defineix el total de potència que s’obtindrà a partir d’energies renovables, al llarg de tots els períodes de temps contemplats en l’anàlisi. • Gasenergy: vector que definirà per a cada situació possible de proporció d’inversió entre solar i eòlica, quina és l’energia que caldrà obtenir a partir de centrals de cicle combinat. Una vegada es tenen totes les variables inicialitzades, es poden començar a realitzar els càlculs per determinar la proporció d’energia solar i de vent que farà que s’optimitzin els costos, per a la situació de demanda descrita. Per tal de tenir una idea de quina serà l’estructura d’aquest bloc, es pot observar el diagrama següent (veure figura 20): Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 41 Figura 20 Esquema de funcionament del programa Els passos que se segueixen són els següents: 1. Es realitza una importació de les dades meteorològiques de la zona, que es troben introduïdes en la matriu “meteo.dat”. Aquestes es troben distribuïdes en dues columnes: la primera fa referencia al factor de càrrega de l’energia solar i la segona al factor de càrrega de la potència eòlica, és a dir, a la relació entre les potències generades i la instal·lades en la zona d’estudi. Els períodes de temps que es troben en aquesta matriu van lligats als de la matriu on es troben les dades de demanda, és a dir, cada fila fa referencia a la mateixa franja temporal. Inicialització de variables Càlcul de potència instal·lada i generada solar i eòlica segons repartiment Càlcul de potència generada total i diferencial de potència EXCÉS ENERGÈTIC: Potència de bombeig Actualització energia embalsament Potència exportada DÉFICIT ENERGÈTIC: Potència de turbinat Actualització energia embalsament Potència cicle combinat Càlcul d'energia proporcionada per cicle combinat Repartiment d'inversió que minimitza aquest valor Pág. 48 Memòria La manera de procedir serà entrar en cada un dels valors de la demanda en cada espai de temps per poder realitzar els següents càlculs: 1. Es realitzarà de nou el càlcul del potència instal·lada solar fotovoltaica i eòlica en el territori, amb el valor òptim de la variable “best” obtingut, i per a cada valor de demanda es calcularà quina és la potència generada multiplicant aquests valors pels factors de càrrega corresponents. 2. A continuació es torna a realitzar el càlcul de la potència generada (sumatori dels vectors de les potències nuclear, hidràulica, solar i eòlica, on les dues primeres seran variables fixes i les dues últimes seran valors calculats en l’apartat de programa anterior). Un cop definida aquesta potència, es calcula la potència diferencial per tal de conèixer l’excés o defecte per a cada valor de demanda. Una vegada més, a partir d’aquesta situació d’excés o de dèficit d’energia, es tornaran a realitzar els càlculs referents a la potència que es pot obtenir o que es pot proporcionar als pantans que serveixen de bateries d’energia en forma d’energia potencial de l’aigua. En el cas que ens trobem en situació d’excés d’energia: 𝑃 𝑝𝑢𝑚𝑝 = min (𝑃𝑑𝑖𝑓,𝑃 𝑝𝑢𝑚𝑝𝑚𝑎𝑥) 𝑛𝑒𝑤𝐸𝑠𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒 = 𝐸𝑠𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒𝑎𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒[𝑒𝑠𝑝𝑎𝑖 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟]+ 𝑃 𝑝𝑢𝑚𝑝[𝑒𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙]·1ℎ 𝑃 𝑝𝑢𝑚𝑝[𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙] = 𝑃 𝑝𝑢𝑚𝑝[𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙] ·min(Estoragemax,newEstorage) − Estorageaverage[espai de temps anterior] newEstorage − Estorageaverage[espai de temps anterior] 𝐸𝑠𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒𝑎𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒 = min(newEstorage,Estoragemax) 𝑃𝑒𝑥𝑝𝑜𝑟𝑡 = 𝑃𝑑𝑖𝑓 − 𝑃 𝑝𝑢𝑚𝑝 𝑃𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 = 𝑃𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑 + 𝑃 𝑝𝑢𝑚𝑝 Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 49 En el cas que ens trobem en situació de defecte d’energia: 𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒 = min (𝑎𝑏𝑠(𝑃𝑑𝑖𝑓), 𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑚𝑎𝑥) 𝑛𝑒𝑤𝐸𝑠𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒 = 𝐸𝑠𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒𝑎𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒[𝑒𝑠𝑝𝑎𝑖 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟]+ 𝑃𝑑𝑖𝑓[𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙]·1ℎ 𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒[𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙] = 𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒[𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙] ·Estorageaverage[espai de temps anterior] − max (0.0, 𝑛𝑒𝑤𝐸𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒) Estorageaverage[espai de temps anterior]− newEstorage 𝐸𝑠𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒𝑎𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒 = max (𝑛𝑒𝑤𝐸𝑠𝑡𝑜𝑟𝑎𝑔𝑒, 0) 𝑃𝑝𝑢𝑚𝑝 = 0.0 𝑃𝑐𝑜𝑚𝑏𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 = − 𝑃𝑑𝑖𝑓 − 𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒 𝑃ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜 = 𝑃ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜 + 𝑃𝑡𝑢𝑟𝑏𝑖𝑛𝑒 Una vegada s’han finalitzat aquests càlculs, es podria dir que el nostre sistema ja es troba definit. Els passos següents es basaran en treballar amb els valors obtinguts per obtenir les dades que ens interessa analitzar. Les dades que es calcularan en aquest fragment de la programació són l’energia total que genera cada recurs respecte el total generat i els kg de CO2 obtinguts a causa d’haver hagut d’instal·lar centrals de cicle combinat. A continuació es comenta com s’han realitzat els càlculs per a cada una de les variables comentades: • Etotal: representa el sumatori de tota l’energia que es subministra, tant la que forma part de la demanda com la que s’usa per exportació, per a tots els intervals de temps que s’analitzen en el sistema. Pág. 50 Memòria 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑠𝑢𝑚(𝑃𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑) + 𝑠𝑢𝑚(𝑃𝑒𝑥𝑝𝑜𝑟𝑡) • Xsolar: variable que mostra el percentatge que representa l’energia produïda a partir del recurs solar respecte el total d’energia produïda. 𝑋𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 𝑠𝑢𝑚(𝑃𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟) 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ·100 • Xwind: variable que mostra el percentatge que representa l’energia produïda a partir del recurs del vent respecte el total d’energia produïda. 𝑋𝑤𝑖𝑛𝑑 = 𝑠𝑢𝑚(𝑃𝑤𝑖𝑛𝑑) 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ·100 • Xcombcycle: variable que mostra el percentatge que representa l’energia obtinguda a partir de centrals de cicle combinat respecte el total d’energia produïda. 𝑋𝑐𝑜𝑚𝑏𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 = 𝑠𝑢𝑚(𝑃𝑐𝑜𝑚𝑏𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒) 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ·100 • Xhydro: variable que mostra el percentatge que representa l’energia obtinguda a partir del recurs hidràulic, tant el valor fixat a l’inici del programa com el produït per compensar el defecte en la producció respecte la demanda, respecte el total d’energia produïda. 𝑋ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜 = 𝑠𝑢𝑚(𝑃ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜) 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ·100 • Xnuclear: variable que mostra el percentatge que representa l’energia obtinguda a partir del recurs nuclear, partint del valor fixat a l’inici del programa, respecte el total d’energia produïda. Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 51 𝑋𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 = 𝑠𝑢𝑚(𝑃ℎ𝑦𝑑𝑟𝑜) 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ·100 Un cop s’han definit tots aquests percentatges, que representen la part proporcional de cada recurs energètic al total produït, es realitzaran certes comandes per tal d’obtenir els valors més interessants en pantalla. Aquestes valors seran: • Percentatge d’inversió en potència del vent: fa referència a la variable “best” • Potència total instal·lada de cicle combinat: : fa referència a la variable “Pcombcycle” • Emissions de CO2 : fa referencia a quantes emissions de CO2 es generaran en el nostre sistema, tenint en compte que l’única energia generadora d’aquest producte és la que prové de les centrals de cicle combinat. Cal tenir en compte que no en totes les franges de temps es generaran emissions de CO2, ja que només comptarem amb aquest recurs quan hi hagi un dèficit d’energia entre la producció i la demanda i aquest no es pugui suplir a partir de les centrals hidràuliques reversibles. La darrera part del post procés de la programació serà definir quines són les gràfiques que resulten interessants per tal d’interpretar la informació que s’obté al executar el programa. S’ha decidir realitzar dues gràfiques per defecte una vegada s’hagi executat el programa, que resultaran de certa utilitat per tal de tenir una idea global del que s’ha obtingut si s’ha variat algun dels valor d’entrada. Aquestes dues gràfiques són les següents: • Gràfic de distribució del mix d’energies: aquest gràfic mostra com estaran repartits els diferents tipus d’energies (cicle combinat, nuclear, hidràulica, solar i eòlica) respecte el total, és a dir, el percentatge que representa cadascuna d’elles en el mix d’energies. • Gràfic de distribució de les energies renovables: aquesta gràfica és del mateix tipus de la primera, però es centra només en les energies renovables (hidràulica, solar i eòlica) per tal de centrar-nos en aquelles que segons la normativa s’hauran d’impulsar. Pág. 52 Memòria L’ultima part de la programació servirà per exportar els tots els vectors generats a un arxiu d’Excel, ja que d’aquesta manera l’anàlisi posterior serà més senzill. Les variables que s’exportaran després de l’execució del programa són: • Psolar • Pwind • Phydro • Pnuclear • Pcombcycle • Pdemand • Pexport • Estorageaverage Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 53 5. Dades d’entrada Un cop s’ha analitzat el mètode amb el qual es decidirà quin es el mix d’energia ideal per a cada situació que es pugui plantejar en un futur en un territori en concret, s’ha procedit a establir les variables d’entrada del nostre sistema. Aquestes variables seran úniques per al territori espanyol i s’introduiran al programa a través de fitxers de format “.dat”. Aquestes variables d’entrada es situaran en 3 fitxers separats: la demanda energètica horària de la península ibèrica, els factors de càrrega de l’energia generada a partir dels recursos renovables eòlics i solar fotovoltaics i altres variables que acabaran de definir les condicions de contorn per tal de poder arribar al nostre òptim. A continuació s’especifiquen aquestes variables: 5.1. Demanda energètica La demanda energètica del país o del territori a estudiar, en el cas que s’utilitzés el programa per analitzar altres zones que no fossin el territori espanyol, serveix per definir el sobrant o la necessitat d’energia per compensar el que s’ha generat a partir de les condicions climàtiques que s’estudien. Com s’ha comentat, en el programa el primer que s’estudia és quin és el repartiment òptim d’energia solar i d’energia eòlica, a partir de les dades d’inversió de la població, el cost d’instal·lació de cada una d’elles i els recursos climatològics dels que disposa la zona. La filosofia de treball per analitzar la situació energètica espanyola consta en estudiar el període més crític de l’any energèticament parlant. Com s’ha comentant anteriorment, la demanda creix quan hi ha una necessitat energètica elevada per temes tant climatològics com laborals, és a dir, durant l’hivern la demanda energètica serà més elevada degut a que causa del fred els habitants de la població necessitaran més energia per escalfar-se. D’altra banda, si ens fixem en l’evolució de la demanda al llarg del dia, aquesta serà elevada durant les hores laborals, ja que les oficines i botigues consumiran gran quantitat d’energia en llum i aparells Pág. 54 Memòria climatològics i també les fabriques de producció en els seus processos. Per sobre d’aquest valor ens trobarem en un pic energètic al voltant de les 21h de la nit, quan la societat es trobarà a les seves respectives llars consumint energia per escalfar, il·luminar, cuinar i realitzar altres activitats domèstiques en els seus habitatges. Per tenir un registre prou contundent d’estudi i que permetés arribar a un valor prou estable de la variable que fa referencia a l’energia emmagatzemada en les centrals hidroelèctriques, que realitzaran la funció de bateries, s’ha decidit estudiar un període de dues setmanes al novembre i de dues setmanes al febrer, que seran les que es consideren més crítiques energèticament parlant. Caldria dir, que en el cas que es simularà, que fa referencia a l’any 2040, és possible que aquesta demanda energètica augmenti o disminueixi, degut al fet que la població existent al territori pot variar en un període de 20 anys. A més a més, pel que fa referencia a aquest projecte, la població haurà de consumir més energia d’origen elèctric per poder carregar els vehicles que imposarà la nova normativa. D’altra banda, cal tenir en compte una electrificació de la societat més important de la que es té ara, però que en el projecte que s’està treballant es considera compensada amb la millora d’eficiència de la maquinària. D’aquesta manera, la decisió escollida és la de partir de la demanda energètica datada en dues setmanes a mitjans de novembre de 2018 i en les dues primeres setmanes de febrer de l’any 2019, i a partir d’aquests valors, realitzar una extrapolació cap a situacions futures amb la variació d’habitants que s’estimi i amb més vehicles elèctrics. La decisió ha sigut de treballar hora a hora, degut al fet que es buscarà obtenir el màxim d’energia partint de renovables, ja que en el cas de no tenir energia de procedència eòlica en una hora nocturna on tampoc hi hagi vent podria donar lloc a una situació limitant. 5.1.1. Demanda energètica de l’any 2019 A partir de les fonts oficial de la Red Eléctrica Española [11], s’han pogut obtenir els valors de demanda energètica de la península per als dies compresos entre el període del 5 al 19 de novembre de 2018 i del 6 al 20 de febrer de 2019. Aquestes dades s’han importat en un format “.cvs” i, després d’un tractament de dades, s’ha pogut documentar en les hores en punt quina Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 55 ha sigut l’energia demanda real i la prevista. A grans trets, es pot observar en els següents gràfics quina és l’evolució d’aquestes variables durant el període d’estudi, on la primera fa referència a les setmanes de novembre, i la segona, a les setmanes de febrer (veure figures 21 i 22). Figura 21 Evolució demanda energètica al novembre Figura 22Evolució demanda energètica al febrer 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000 34000 36000 38000 050 100 150 200 250 300 350 400 Seguiment de l'evolució de la demanda [MW] 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000 34000 36000 38000 40000 050 100 150 200 250 300 350 400 Seguiment de l'evolució de la demanda [MW] Pág. 56 Memòria Es pot comprovar com els valors a les dues setmanes de novembre són lleugerament inferiors als que es van tenir per les setmanes estudiades al mes de febrer, mantenint-se la majoria de dies crítics ens valors similars. El dia amb una demanda més crítica va ser el 6 de febrer. L’evolució de la demanda total a la península en aquest dia es mostra al següent gràfic (veure figura 23): Figura 23 Evolució de la demanda energètica el dia 6 de febrer de 2019 a la península Com s’ha comentat anteriorment, es pot comprovar com el pic de demanda es troba entre les 21h i les 22h de la nit. 5.1.2. Demanda energètica de l’any 2040 Partint dels valors actuals de demanda energètica, el que s’ha realitzat ha sigut una extrapolació a partir de l’evolució de la població d’aquí al 2040. Per tal de fer-ho, s’ha consultat a la pàgina web Population Pyramid [12], d’on s’ha obtingut una estimació de l’evolució de la població al llarg dels anys. El que s’ha fet ha sigut anar partint períodes de 5 anys des del 2020 fins al 2040, per tal de observar la evolució prevista. 20000 25000 30000 35000 40000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 06/02/2019 Demanda real [MW] Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 57 El resultat obtingut es pot observar en la següent gràfica (veure figura 24): Figura 24 Evolució de la població espanyola Com es pot observar, està prevista una disminució de la població des de l’any 2020 fins l’any 2040. Per tant, s’obtindrà la mateixa situació per a la demanda d’energia als llarg dels anys, realitzant la extrapolació esmentada: 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔è𝑡𝑖𝑐𝑎 2040 = 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔è𝑡𝑖𝑐𝑎 2020 ·𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó 2040 𝑃𝑜𝑏𝑙𝑎𝑐𝑖ó 2020 En la gràfica següent (veure figura 25), es pot observar com varia la mitjana de demanda energètica de les dues setmanes que s’estan estudiant al llarg dels anys, tenint en compte l’evolució de la població al territori espanyol: Figura 25 Extrapolació de l'evolució de la demanda energètica 45600000 45700000 45800000 45900000 46000000 46100000 46200000 46300000 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 Població 29100 29200 29300 29400 29500 29600 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 Demanda energètica horaria [MW] Pág. 64 Memòria 5.4. Condicions de contorn del programa Per últim, s’han definit les altres variables que no són ni la demanda ni les condicions climatològiques del territori, però que són necessàries per tal que el programa sigui capaç d’arribar a la situació òptima final. Aquestes són les que es presenten a continuació: • Nuclear [kW]: energia que es genera a les centrals nuclears del territori. Aquesta variable prendrà el valor màxim que es presenta a continuació, obtingut a partir de les dades analitzades a l’inici del projecte, de la font Red Eléctrica Española [12], referents a la situació actual espanyola: 𝑁𝑢𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 = 53198 GWh = 6072831 kW Aquesta dada serà una de les variables a jugar durant l’anàlisi ja que s’estudiarà la possibilitat de portar aquesta a un valor de 0 kW, és a dir, a prescindir d’aquest tipus de centrals. • Hydro [kW]: energia que es genera en centrals hidràuliques al territori espanyol. Aquest valor s’ha obtingut en els càlculs a l’inici del programa, a partir de la web oficial de la Red Eléctrica Española [12]. El resultat és de: 𝐻𝑦𝑑𝑟𝑜 = 36106 GWh = 4121689,5 kW • Costsolar [euros / kW]: aquesta variable fa referencia al preu que s’ha d’invertir per tal de construir una instal·lació de tipus solar fotovoltaica, per cada kW de potència. Per tal d’obtenir el valor d’aquesta variable, el que s’ha fet ha sigut consultar el document Trends 2015 in photovoltaic Applications de IEA [15] que, com el seu nom indica, tracta de la industria de les aplicacions solar fotovoltaiques. En aquest document es mostra una taula en la que s’indica el cost d’instal·lació, en Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 65 euros, per unitat d’energia (W). Aquestes dades venen diferenciades segons si seran de tipus residencial, comercial, industrial o d’instal·lació en el terrenys. Els valors per cadascuna d’aquestes és (veure taula 7): Tipus Cost d’instal·lació [€ / W] Residencial 2,20 Comercial 1,50 Industrial 1,20 Instal·lació sobre el terra 1,20 Taula 7 Cost d'instal·lació d'energia solar fotovoltaica Per tal de simplificar els càlculs, i degut al fet que les instal·lacions de tipus industrial i sobre el terra seran les més significatives sobre el territori, s’ha decidit considerar el valor del cost d’instal·lació de l’energia solar fotovoltaica en: 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 1200 € / kW • Costwind [euros / kW]: aquesta variable fa referencia al preu que s’ha d’invertir per tal de construir una central eòlica, per cada kW de potència. Per tal d’obtenir aquest valor, s’ha consultat un estudi del CETER [16] a partir del qual s’ha obtingut el rang de preus en el que es troba el cost d’instal·lació dels parc eòlics actualment. Segons s’indica en aquest document, aquest cost es troba en un rang d’entre 1250$/W i 1700$/W, el que seria aproximadament el mateix que entre 1100€/W i 1500€/W. Per tant, es simplificarà treballant amb el valor mitjà d’instal·lació que serà de: 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 1300 € / kW Pág. 66 Memòria • Pinstcombcycle [kW]: aquesta variable fa referencia al total de potència instal·lada que hi ha actualment per al tipus de centrals de cicle combinat. Convé conèixer el valor actual d’aquesta variable per tal de determinar si el que sortirà com a resultat del programa es podrà abastir amb el que es té actualment instal·lat al territori espanyol, o si, per contra, caldrà afegir més centrals d’aquest tipus. En el cas que s’haguessin d’afegir més centrals d’aquest tipus, caldria augmentar la inversió que realitzarà societat per tal d’aconseguir arribar als valors de demanda que es trobarà a l’any 2040. De totes formes, cal remarcar que aquest valor d’energia obtinguda a partir de les centrals elèctriques de cicle combinat caldrà que sigui el mínim per tal de mantenir la filosofia de minimitzar al màxim les emissions de CO2 de cara al futur. Aquest valor s’ha obtingut a partir de la web de ENTSOE [17], de la mateixa font d’on s’han obtingut els valors de potència instal·lada d’energia eòlica i d’energia solar fotovoltaica, i és el següent: 𝑃𝑖𝑛𝑠𝑡𝑐𝑜𝑚𝑏𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 = 24600000 𝑘𝑊 • Population: variable que fa referencia a la població que hi ha al territori espanyol en el moment d’estudi. Aquesta variable s’haurà d’anar variant segons el l’any que es pretengui estudiar, ja que com s’ha comentat anteriorment, segons una previsió de la web Population Pyramid [12], aquesta anirà disminuït al llarg dels anys. Aquesta estimació és la que es pot observar a la taula a continuació (veure taula 8): Any Població 2020 46193543 2025 46094613 2030 45919674 2035 45818587 2040 45647455 Taula 8 Estimació de l’evolució de la població espanyola Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 67 • Investment [euros / habitant]: inversió que haurà de realitzar cada habitant del territori per tal d’instal·lar plaques solars i molins de vent amb l’objectiu d’obtenir energia de forma renovable. Aquesta variable es fixarà primer en un valor en concret, que és el que es mostra a continuació, després de realitzar iteracions per tal de comprovar quin n’és l’òptim: 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑠𝑡𝑚𝑒𝑛𝑡 = 4000 𝑒𝑢𝑟𝑜𝑠 ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡 Degut a que la població anirà disminuint al llarg dels anys, segons la taula anterior en la que s’observa aquesta estimació, caldrà tenir en compte que la inversió total també ho farà. És per aquest motiu, que s’haurà de valorar un possible increment de la inversió per habitant per tal de mantenir el total constant, segons els resultats de post procés obtinguts amb les iteracions dels programa creat. • CO2factor [KgCO2/ kWPCC]: emissions de diòxid de carboni que s’emeten a l’atmosfera per kW d’energia provinent de centrals de cicle combinat. Aquest valor s’ha obtingut a partir d’un estudi del director d’enginyeria I+D d’Endesa [18] i correspon a: 𝐶𝑂2𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 = 0,45 𝐾𝑔𝐶𝑂2 𝑘𝑊ℎ Pág. 68 Memòria 6. Anàlisi de la situació energètica al territori espanyol l’any 2040 Per tal de finalitzar amb l’estudi, s’analitzaran les dades que s’obtenen de l’execució del programa partint dels diferents valors d’entrada que s’han anat trobant als apartats anteriors. Per fer-ho, s’ha decidit seguir la metodologia que s’especificarà a continuació: 1. Disseny i execució d’un programa per analitzar la inversió òptima per habitant de la situació estimada al 2040 2. Càlcul de la situació òptima actual del sistema energètic espanyol, sense inversió per habitant i tenint en compte l’energia nuclear total instal·lada en el sistema 3. Comparativa dels valors obtinguts a la situació energètica espanyola al 2030 respecte amb els que s’havia previst assolir en l’apartat de normativa 4. Càlcul de la situació òptima futura en l’any 2040 al territori espanyol i comparació d’aquests valors amb els que s’hauran obtingut en l’apartat anterior 5. Anàlisi de sensibilitat de les dades estimades, per tal d’observar con fluctuen els valors de potència solar, eòlica i cicle combinat que s’hauran d’instal·lar segons la possible variació que tinguin les dades d’entrada 6.1. Càlcul de la inversió Partint dels valors estimats per a l’any 2040 de factor de càrrega d’energia solar, factor de càrrega d’energia eòlica i demanda, tenint en compte que tots els vehicles que circularan pel territori seran elèctrics, amb l’increment de demanda elèctrica que això suposa, i que la població total del territori serà inferior, es calcularà quin és el valor òptim d’inversió per habitant que s’haurà de realitzar per tal de poder instal·lar suficient energia renovable com per minimitzar la el consum d’energia de cicle combinat. Per tal d’aconseguir aquest valor, el que s’ha fet ha sigut establir un bucle que englobés tot el programa anterior, és a dir, que l’anés repetint per a diferents valors d’inversió que es volguessin provar. Amb l’objectiu d’obtenir una solució dins d’uns marges raonables, s’ha decidit repetir aquest bucle entre els valors de 1000€/habitant i 10000€/habitant. A més a més, per tal de no saturar el programa amb moltes iteracions s’ha decidit treballar amb la funció while i amb passos entre Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 69 un iteració i la següent de 100€/ habitant, ja que s’ha pensat que els valors que es poguessin obtenir entre mig de cada un dels punts d’estudi no serien significatius i es podrien extrapolar. D’altra banda, la variable que s’ha decidit optimitzar en el seguit d’iteracions d’inversió ha sigut la potència total que haurien d’aportar les centrals de cicle combinat en el mix d’energia total. Recordem que aquesta variable era la mateixa que s’optimitzava per trobar el valor de repartiment d’inversió entre solar i eòlica. En aquest cas, s’haurà emmagatzemat en un vector, per a cada valor d’inversió total, la potència de cicle combinat que es necessitaria amb el repartiment entre solar i eòlica més favorable. Les línies de codi que s’han hagut d’afegir al original han sigut: 1. Afegir els límits d’inversió mínima i màxima i de pas entre les diferent iteracions d’inversió a les dades d’entrada i importació d’aquestes al programa. 2. Inicialització de la variable invest al valor mínim d’inversió (investmentmin) i creació del vector PCC en el qual s’afegiran els consums en centrals de cicle combinat per tal de trobar l’òptim. 3. Creació del bucle mitjançant per a cada valor d’inversió des del valor d’inversió mínim i màxim amb un pas entre un valor i l’altre igual al definit en les dades d’entrada. Abans de finalitzar la programació, per a cada valor d’inversió, s’emmagatzemarà el valor que correspongui al vector PCC. 4. Una vegada finalitzades les iteracions, s’obtindrà l’índex del valor d’inversió que tingui el consum en centrals de cicle combinat inferior. A partir de les dades de 2040, amb els factors de càrrega i la demanda que corresponen i tenint en compte que no es tindrà energia nuclear, s’ha obtingut la gràfica següent (veure figura 32): Figura 32 Càlcul de la inversió òptima 0 5E+09 1E+10 1,5E+10 01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Inversió òptima [€/habitant] Pág. 70 Memòria Com es pot observar, a mida que augmenta el valor d’inversió disminueix el valor d’energia que s’ha de generar a partir de centrals de cicle combinat, però cada vegada la pendent amb el que aquest valor disminueix és menor. Per tant, caldrà triar un valor que faci disminuir suficientment la quantitat d’energia generada amb centrals de cicle combinat, que serà directament proporcional a les emissions de diòxid de carboni que es creïn, però no s’haurà d’augmentar la inversió d’una manera molt elevada ja que a partir de cert valor deixa de ser significatiu aquest estalvi d’energia creada a partir de centrals de cicle combinat. Aquest valor òptim d’inversió per habitant és de: 𝑏𝑒𝑠𝑡𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 = 4000 €/ℎ𝑎𝑏𝑖𝑡𝑎𝑛𝑡 S’ha decidit triar aquest valor degut a que a partir d’aquest l’estalvi no és tant significatiu i, a més a més, aquest valor implicarà una inversió de 2000€ per habitant cada 10 anys, que s’ha considerat assolible. Per tant, en les iteracions que es realitzin en els anàlisis següents es considerà la inversió igual a aquest valor. Cal tenir en compte que a mida que s’augmenta el valor d’inversió disminueix el que s’obté a partir de centrals de cicle combinat, però que aquest valor tendeix a ser 0 o menyspreables per a valors d’inversió que tant alts que no resulten realistes per a la situació estudiada (s’ha comprovat que a partir de 110000 €/habitant ja no caldrà generar energia a partir de centrals de cicle combinat, un total de 5·106 M€), ja que com es pot observar, la gràfica analitzada es tracta d’una funció exponencial. Per tant, no hi haurà cap valor d’inversió realista que permeti no haver de generar energia amb centrals de cicle combinat, ja que a partir de cert valor, per un increment elevat d’inversió la reducció d’energia generada a partir de centrals de cicle combinat resulta ínfima. 6.2. Anàlisi de la situació espanyola actual Les premisses per tal de començar amb l’anàlisi de la situació òptima energètica del sistema espanyol són: • Evolució de la demanda tenint en el sistema 100% de vehicles de combustió i el total de població del territori actual • Factors de càrrega solar i eòlic estimats en l’apartat Dades d’entrada • Aportació d’energia nuclear al sistema energètic espanyol del 100% del que es té actualment Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 71 • No es realitza inversió per tal d’instal·lar més energia solar o eòlica de la que es té actualment en el sistema Partint d’aquestes dades i després de realitzar els càlculs amb el programa dissenyat, s’han obtingut diferents gràfiques i dades que s’analitzaran a continuació, on la primera d’aquestes serà la que ens mostrarà un resum global de com ha sigut la contribució al llarg dels 30 dies (en l’eix x, 720h) de cada un dels tipus d’energia que s’estudien en el sistema per tal d’assolir la demanda desitjada (veure figura 33). Figura 33 Distribució òptima del sistema energètic actual Com es pot observar, tenim un sistema on l’energia nuclear i la hidràulica tenen uns valors constants per als 30 dies d’anàlisis. Per al cas de l’energia nuclear era una imposició del programa, però per al cas de l’energia hidràulica, aquesta podia variar en el sistema si també es tingués una variació de les reserves hidroelèctriques dels pantans que serveixen de bateria d’energia per als moments on la demanda sigui superior al que es pot produir. Com es pot observar en el gràfic superior, aquesta manté el seu valor al llarg del programa. Aquest fet és degut a que al trobar-nos en una situació deficitària constantment, els pantans es buiden a l’inici del temps d’estudi i aquests no es tornen a omplir en cap moment. També es pot observar com el total d’exportacions és del 0%, ja que no hi ha cap espai de temps d’estudi en que existeixi un sobrant d’energia. D’altra banda, pel que fa a l’energia que predomina en el sistema òptim actual, aquesta és la procedent de les centrals de cicle combinat. Aquest fet es pot explicar degut a que en el nostre sistema s’ha simplificat a les energies de tipus eòlica, solar fotovoltaica, hidràulica i nuclear, a 0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000 35000000 40000000 Pnuclear Phydro Pcombcycle Pwind Psolar Pdemand Pág. 72 Memòria més a més del que es produeix a partir de centrals de cicle combinat que tenen la funció de suplir amb el que realment estan subministrant molts més tipus de fonts energètiques en el sistema real. Malgrat això, es pot observar que actualment, per un registre de 30 dies dels més crítics de l’any, amb les energies no generadores de CO2 no és suficient com per abastir la demanda i, per tant, caldrà invertir en noves centrals per tal d’obtenir una situació més favorable, més tenint en compte que es tancaran les centrals nuclears del territori. En la gràfica següent es pot observar com ha sigut la evolució de la potència que s’ha generat partint de centrals de cicle combinat. Com es pot comprovar, es té una evolució semblant al que és la demanda però amb una magnitud inferior, ja que com a energies variables, a més a més del cicle combinat, es tenen la solar i la eòlica que tenen una contribució significativament menor al mix energètic que l’energia provinent del cicle combinat. També cal destacar que el valor màxim que s’obté és inferior encara que molt pròxim al que es té instal·lat actualment (24600000kW) (veure figura 34). Figura 34 Potència de cicle combinat generada en la situació òptima actual Degut a la gran quantitat d’energia generada en aquests 30 dies partint de centrals de cicle combinat, es pot dir que s’hauran generat un total de 4149661545,6 kg de CO2 o, el que és el mateix, extrapolant aquests dies de situació desfavorable al llarg de l’any per tal de tenir uns valors més conservadors, 50487,5 kts de CO2, que és aproximadament el doble del que es té en el 2017. Per tant, aquesta comprovació es pot considerar prou sobredimensionada per tal de poder abastir el sistema en qualsevol situació degut als dies que s’han analitzat. 0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 0100 200 300 400 500 600 700 Pcombcycle [kW] Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 73 Per tal de completar l’anàlisi, es troben a continuació les gràfiques que mostren com ha sigut aquest repartiment entre els diferents tipus d’energies (veure figura 35): Figura 35 Distribució del mix d'energia òptim actual Com es pot observar i s’ha comentat, del total d’energies que formen el mix del sistema que s’està estudiant, la majoritària és la procedent de les centrals de cicle combinat amb un 43,4%, seguida de les centrals nuclears amb un 20,5%, eòliques amb un 19,2%, hidràuliques amb un 14,0% i solars fotovoltaiques amb un 2,9%. Observant la segona gràfica cal tenir en compte que no es produeix inversió en energies renovables per tal d’instal·lar noves centrals, degut al fet que s’està estudiant la situació actual i es tindrà com a energia generada la instal·lada multiplicada per el factor de càrrega. Tenint en compte aquesta situació, es pot comprovar com el sistema espanyol genera molta més energia part del recurs eòlic que del recurs solar. Com s’ha establert en l’apartat Dades d’entrada, les potències instal·lades són de 6751000kW per a la solar i 22961000kW per a la eòlica, és a dir, la potència instal·lada eòlica és 3,4 vegades superior a la solar i s’obté un valor 6,6 vegades més gran de potència generada eòlica que de solar. Per tant, es pot observar com el factor de càrrega eòlic és més rentable. Pág. 80 Memòria més a més, el fet de tancar centrals nuclears farà que encara s’hagi de realitzar més inversió per tal d’instal·lar més centrals de cicle combinat per tal que substitueixin el que s’hagués pogut obtenir si no s’haguessin tancat. D’altra banda, observant la segona gràfica de repartiment d’energies, es pot comprovar com l’energia eòlica ha sigut molt més rentable que la solar ja que aquesta, malgrat la seva inestabilitat, no té pics i valls regulars al llarg del dia com la solar i, per tant, augmentant la inversió en aquesta es pot cobrir la demanda en tots els punts del dia. En el cas que s’incrementés la inversió en l’energia solar, es seguiria tenint dèficit energètic de la demanda respecte la producció en les hores en les que no hi ha sol però que es necessita que es produeixi energia. 6.5. Anàlisi de sensibilitat Per tal de finalitzar amb l’anàlisi del projecte, es definiran les dues situacions límit en que ens podríem trobar en el cas de que els valors d’entrada previstos (factor de càrrega eòlic, factor de càrrega solar i demanda) tendissin cap als valors màxims o mínims que s’ha estimat que podrien assolir. Aquestes dues situacions definides han sigut les següents: • Situació optimista: augment dels recursos i reducció de la demanda o Reducció d’un 10% de la demanda estimada o Augment d’un 10% del factor de càrrega solar o Augment d’un 10% del factor de càrrega eòlic • Situació conservadora: reducció dels recursos i augment de la demanda o Augment d’un 10% de la demanda estimada o Reducció d’un 10% del factor de càrrega solar o Reducció d’un 10% del factor de càrrega eòlic Partint de l’anàlisi d’aquestes dues situacions, es comprovarà quina serà l’afectació a les variables de sortida de potències que s’hauran d’instal·lar de recursos solar i eòlic per tal de conèixer entre quins rangs ens podríem trobar ja que, com s’ha comentat, les dades d’entrada que s’han obtingut són una estimació. Per poder trobar la potència que caldrà instal·lar, una vegada realitzada la iteració, es buscarà quin és l’espai de temps de màxima potència necessària i se li restarà la instal·lada actualment, tant per la solar, la eòlica i el cicle combinat. Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 81 A partir d’aquestes dades s’han construït les gràfiques següents (veure figures 43, 44 i 45) que mostren els límits màxim i mínim, tant per potència eòlica, solar i de cicle combinat necessàries per tal de suplir la demanda. La de color verd representa la situació més optimista i la de color vermell representa la més conservadora: Figura 43 Límits de potència generada eòlica Figura 44 Límits de potència generada solar Figura 45 Límits de potència generada per cicle combinat 0 20000000 40000000 60000000 80000000 100000000 Potència generada per energia eòlica [kW] 0 20000000 40000000 60000000 80000000 100000000 Potència generada per energia solar [kW] 0 10000000 20000000 30000000 40000000 Potència generada per cicle combinat [kW] Pág. 82 Memòria Com es pot observar, una vegada s’han analitzat les dues situacions, la situació optimista és aquella en la que es permet instal·lar un valor més baix de centrals de cicle combinat reduint així el valor d’inversió total que hauran de realitzar els habitants del territori, per tal d’obtenir un sistema robust, així com de generar menys quantitat de diòxid de carboni. Pel que fa a la quantitat d’energia generada a partir de les fonts renovables, es pot observar com el que es genera a partir de l’eòlica és major en el cas més conservador, a diferencia de la solar, que és major en el cas més optimista. En el cas més conservador es considera més energia eòlica que en el cas optimista, ja que aquesta, degut a la seva distribució, és més robusta que la solar que amb el seu perfil on no proporciona energia durant les hores nocturnes, on podria passar que hi hagués demanda que no podria suplir sol, però sí que podria suplir el vent, degut a que aquest recurs no depèn de l’hora del dia. D’altra banda, en el cas més optimista es considera que l’energia solar pot tenir més aportació per optimitzar el sistema que en el més conservador, ja que la demanda és més baixa i els factors de càrrega de les renovables arriben a valors més elevats. A la taula següent es troben sintetitzats els diferents valors de sortida per a les situacions descrites (veure taula 9): Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 83 Cas optimista Cas conservador Potència instal·lada solar [kW] 71274917,53 0 Nombre de panells solars de 100kW a instal·lar 712750 0 Potència instal·lada eòlica [kW] 27969371,96 61753120,33 Nombre de molins de vent de 5000kW a instal·lar 5594 12351 Potència instal·lada cicle combinat [kW] 7666521,66 13563912,37 Inversió per habitant en cicle combinat [€/habitant] 82,98 146,82 Emissions de CO2 [kg] 1,91E+10 3,02E+10 Percentatge de energia generada a partir de centrals de cicle combinat [%] 10,5 15,4 Taula 9 Valors trobats en les situacions límit A partir de l’anàlisi d’aquesta taula es pot comprovar com tant per la situació més optimista com per la més conservadora, és necessària la inversió per tal d’assegurar la creació d’un sistema robust generant energia amb centrals de cicle combinat. Pág. 84 Memòria 7. Conclusions Com s’ha comentat anteriorment, la finalitat d’aquest projecte era la d’analitzar i quantificar de manera tècnica les afectacions que es tindran en el sistema energètic espanyol a l’any 2040, tenint en compte les diferents polítiques energètiques que s’han estat definint en els darrers mesos: el tancament de les nuclears i centrals de carbó i la substitució dels vehicles de combustió per vehicles elèctrics. Per tal de fer-ho, s’ha implementat una programació amb el llenguatge python de la qual s’ha provat la seva aproximació a la realitat a partir de les dades actuals. Malgrat que s’ha realitzat alguna simplificació, s’ha pogut observar com els valors de les dades obtingudes a partir del programa dissenyat han sigut molts similars als que es tenen a la realitat. Pel que fa a les dades d’entrada, pels factors de càrrega però més en concret de la demanda, que és la variable la qual ha vist modificat el seu valor, s’ha decidit provar amb uns intervals de variació prou raonables per tal de comprovar quina seria l’afectació si aquests variessin. Per tant, sembla que les aproximacions que es facin, degut a aquests marges d’error, seran prou robustes. Una vegada demostrada la fiabilitat tant del programa com de les dades d’entrada, s’han obtingut els resultats per a l’any 2040, responent a algunes de les preguntes que s’havien plantejat a l’inici del programa. Com s’ha pogut comprovar, malgrat que s’hagi realitzat una inversió addicional per tal de minimitzar el consum de gas en centrals de cicle combinat, aquest consum no s’ha pogut arribar a minimitzar. Aquest fet és degut a que l’estabilitat que proporcionen les energies estables en el temps no es pot complementar amb la variabilitat de les energies renovables, que són aleatòries i fluctuen en el temps, encara que s’afegeixin bateries en forma de reserves hidroelèctriques. La forma més òptima d’assegurar-ho seria la de maximitzar el que es pugui obtenir en energies renovables i definir les capacitats dels pantans per tal que tot el sobrant es pugui absorbir i sempre hi hagi un extra d’energia per a les situacions de dèficit. Per tant, a partir d’aquest projecte s’ha pogut obtenir una situació en la que el repartiment de la inversió que hauria de realitzar cada habitant de la població s’ha optimitzat per tal de minimitzar la generació d’energia a partir de centrals de gas. A més a més, a partir de l’anàlisi de sensibilitats s’ha pogut determinar quina seria la situació més favorable i la més desfavorable i, amb aquestes, s’han quantificat els diferents paràmetres afectats. Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 85 8. Planificació A continuació es mostrarà quina ha sigut la planificació establerta per tal de realitzar aquest projecte. Per fer-ho s’ha dividit la línia temporal en mesos, i aquests en la primera i segona quinzena. Aquesta planificació es pot observar en la taula següent (veure taula 10): Taula 10 Planificació temporal del projecte Mes FEBRER MARÇ ABRIL MAIG JUNY Quinzena 2 1 2 1 2 1 2 1 Decisió del tema Anàlisi de la viabilitat del tema Selecció del tutor del projecte Cerca d’informació de la situació actual Cerca d’informació de la problemàtica Anàlisi de la programació i adaptació a les necessitats del projecte Cerca de dades d’entrada del model Obtenció de resultats Escriptura de la memòria i dels annexes Pág. 86 Memòria 9. Pressupost Prèviament a poder vendre el model energètic per a la situació futura al 2040, caldrà oferir un anàlisi econòmic per tal de valorar aquest projecte degut a les hores invertides de treball per part de l’enginyer que hi hagi treballat. El preu total d’aquest projecte es pot observar en la següent taula, en la que es desglossen amb detall els diferents aspectes que suposen una despesa econòmica a l’hora d’implementar-lo (veure taula 11): Paràmetre Quantificació Factor de conversió Cost Lloguer de despatx + llum i aigua 4 mesos 600 € / mes 2400 € Amortització d’equip de treball (portàtil + pantalla, 4 mesos2500) 1 workstation 1 pantalla Ratolí + teclat 2500 € / Workstation 100 € / pantalla 20 € / ratolí + teclat 220 € Desplaçament amb vehicle propi per realitzar visites als clients 4 viatges / mes 4 mesos 8,5 € / viatge 136 € Llicencies informàtiques 0 - 0 € Hores de treball d’enginyer 21 dies al mes 8 hores al dia 4 mesos 50 € / hora 33600 € Total 36356 € Taula 11 Despesa deguda a la implementació del model Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 87 10. Impacte ambiental De la mateixa forma en que s’ha fet per tal de calcular el pressupost, es calcularà a continuació quin és l’impacte ambiental de la realització d’aquest projecte, tenint en compte els paràmetres que tenen algun tipus d’aportació. El resultat es pot observar en la taula següent (veure taula 12): Taula 12 Despesa deguda a la implementació del model Paràmetre Quantificació Factor de conversió a CO2 Emissió de CO2 km de recorregut en cotxe 80 km / viatge 4 viatges / mes 4 mesos 0,15 kg CO2 / km 192 kg CO2 Energia elèctrica consumida per l’equip de treball (portàtil + pantalla) 21 dies al mes 8 hores al dia 4 mesos 65 W + 18 W 55,78 kWh 0,399 kg CO2 / kWh 22,256 kg CO2 Energia elèctrica consumida per obtenir llum 21 dies al mes 8 hores al dia 4 mesos 3 x 12 W 24,19 kW / h 0,399 kg CO2 / kWh 9,653 kg CO2 Total 223,908 kg CO2 Pág. 88 Memòria 11. Agraïments Una vegada finalitzada la realització d’aquest projecte, m’agradaria agrair a totes aquelles persones que hi hagin participat, ja sigui directe o indirectament. Primer de tot, m’agradaria donar a les gràcies al professor Jordi Freixa per la seva dedicació en aquest treball. Degut al seu seguiment i consells, he tingut la oportunitat de millorar la manera de com realitzar un projecte d’una de forma professional i d’aprendre molts aspectes tècnics de caire energètic que desconeixia fins al moment. A més a més, en tot moment m’ha proporcionat el suport que he anat necessitant a les diferents tasques que s’han anat elaborant. D’altra banda, m’agradaria agrair tant a la meva família com als meus amics per tot el suport rebut tant en la elaboració del projecte com al llarg de tots els estudis universitaris realitzats, ja que gràcies al fet de que hagin estat allà, han fet que aquest viatge hagi valgut molt més la pena. Anàlisi de la situació energètica espanyola al 2040 Pág. 89 Referencies [1] «Red Eléctrica Española,» 2018. Direcció: https://www.ree.es/es/. [2] U. N. d. Singapur, «Universitat Nacional de Singapur,» 2011. Direcció: https://blogs.elpais.com/eco-lab/2011/02/el-co2-generado-por-la-energia-nuclear.html. [3] «Datos Macro Expansión,» 2017. Direcció: https://datosmacro.expansion.com/energia-y-medioambiente/emisiones-co2/espana. [4] «Renovables Verdes,» 2017. Direcció: https://www.renovablesverdes.com/el-parque-eolico-masgrande-de-espana-esta-en-el-andevalo-huelva/. [5] «Renovables Verdes,» 2017. Direcció: https://www.renovablesverdes.com/las-7-centraleshidroelectricas-mas-grandes-de-espana/. [6] «Red Eléctrica Española,» 2018. Direcció: https://www.ree.es/es/red21/eficiencia-energetica-yconsumo-inteligente/nuestros-habitos-de-consumo. [7] «Red Eléctrica Española,» 2019. Direcció: https://www.ree.es/es/actividades/operacion-delsistema-electrico/interconexiones-internacionales. [8] «Quantum Energia,» 2018. Direcció: https://www.quantumenergia.es/es/coches-electricos-en2040/. [9] «El periódico,» 2018. Direcció: https://www.elperiodico.com/es/medioambiente/20181113/espana-prohibira-matriculacion-coches-diesel-gasolina-hibridos-desde2040-7143700. [10] «El país,» 2019. Direcció: https://cincodias.elpais.com/cincodias/2019/02/08/companias/1549647160_807281.html. [11] E. 16, «Energia 16,» 2018. Direcció: https://www.energia16.com/cierre-de-las-centrales-decarbon/. [12] «Red Eléctrica Española,» 2019. Direcció: https://demanda.ree.es/visiona/peninsula/demanda/tablas/2019-02-14/1. [13] «Population Pyramid,» 2019. Direcció: https://www.populationpyramid.net/es/españa/2020/. [14] «Red Eléctrica Española,» 2018. Direcció: https://www.ree.es/es/sala-de-prensa/notas-deprensa/2018/12/red-electrica-se-suma-al-reto-de-la-movilidad-sostenible-para-promover-coche-