Requerimientos materiales de la transmisión y distribución de la electricidad para la transición energética

REQUERIMIENTOS MATERIALES DE LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA Julio 2021 Autora: Zamora Verdejo, Elena Tutores: Miguel González, Luis Javier Capellán Pérez, Íñigo Trabajo de Fin de Grado Organización Industrial Universidad de Valladolid Escuela de Ingenierías Industriales REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 2 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 3 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERÍAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería de Organización Industrial REQUERIMIENTOS MATERIALES DE LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA Autora: Zamora Verdejo, Elena Tutores: Miguel González, Luis Javier Capellán Pérez, Íñigo Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Valladolid, Julio 2021 REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 4 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 5 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL RESUMEN / ABSTRACT El mundo necesita una transición hacia las energías renovables para evitar el aumento de las emisiones de CO2 en la atmósfera y sus consecuencias en el impacto del cambio climático. Sin embargo, este tipo de energías están asociadas con retos como la intermitencia y lejanía de los puntos de generación respecto a los de consumo. Una forma de gestionar estos problemas consiste en expandir la red eléctrica para garantizar el suministro. En este trabajo se modela mediante dinámica de sistemas la red eléctrica en el IAM MEDEAS-W, observando como metales como el cobre podrían tener problemas serios de escasez y los costes de la red podrían ser insostenibles para el sistema. Palabras clave: red eléctrica, modelado, materiales, dinámica de sistemas, reservas The world needs a transition to renewable energies in order to avoid the increase of CO2 in the atmosphere, and its consequences on the impact of climate change. However, this type of energies is associated with challenges such as intermittency and remoteness of the points of generation with respect to those of consumption. One way to manage these problems is to expand the power grid to guarantee supply. In this project, the electrical grid in the MEDEAS- W IAM is modelled using system dynamics, observing how metals such as copper could suffer from serious problems of shortage and grid costs could be unsustainable for the economic system. Keywords: electric grids, modelling, materials, reserves, system dynamics REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 6 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 7 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL AGRADECIMIENTOS Quiero agradecer a Íñigo Capellán por dirigir y acompañarme en este proyecto, por compartir todo el conocimiento y aconsejarme en cada paso. A Luis Javier Miguel por brindarme la oportunidad de conocer el grupo de investigación GEEDS y trabajar juntos a lo largo de todo este año. A Gonzalo Parrado, David Antelo, Fernando Frechoso y Carlos de Castro por vuestras grandes aportaciones sin las que este trabajo no podría haber salido adelante. A Jaime Nieto, Ignacio de Blas, Pablo García, Ana Torma y todos los demás miembros del grupo. Por último y no menos importante, a mi familia, por ser mi pilar fundamental y enseñarme a que la suerte no es más que esfuerzo, constancia y dedicación. A Juan Miguel, mi ejemplo a seguir y compañero de vida. A mis compañeros y profesores, por haber hecho que elegir esta carrera fuese una de las mejores decisiones de mi vida. Este trabajo es de todos vosotros. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 8 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 9 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL GLOSARIO DE ACRÓNIMOS PIB Producto Interior Bruto GDP Gross domestic Product EERR Energías Renovables CRM Critical Raw Materials NaS Sulfuro de sodio PHS Almacenamiento eléctrico por bombeo HV Alto Voltaje MV Medio Voltaje LV Bajo Voltaje AC Corriente alterna DC Corriente continua OH Redes aéreas / Overhead lines UG Redes subterráneas / Underground SC Redes submarinas / Sea cables RES Fuentes de energías renovables VRES Fuentes de energías renovables variables HVDC Alta tensión de corriente continua HVAC Alta tensión de corriente alterna PHS Almacenamiento eléctrico por bombeo NaS Sulfuro de sodio CO2 Dióxido de carbono GW Gigavatio MW Megavatio MW·km Megavatio por kilómetro GW·km Gigavatio por kilómetro IAM Modelo de evaluación integrada EUMENA Europa, Oriente Medio y Norte de África PP Polipropileno PCP Policloropropileno PE Polietileno GIS Gas Insulated Switchgear - equipos de conmutación con aislamiento de gas AIS Air Insulated Switchgear - equipos de conmutación con aislamiento de aire CRM Critical Raw Materials – Materias primas críticas GIS Sistemas de información geográfica VRES Fuente de energía renovable variable GFCF Gross fixed capital formation - Formación bruta de capital fijo RES Fuente de energía renovable REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 16 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL 2.3.9. Requerimientos materiales para la construcción de elementos auxiliares ......... 79 2.4. Concepto de tasa de retorno energético ........................................................................ 82 2.5. Modelado .......................................................................................................................... 84 2.5.1. Diagrama de influencias .......................................................................................... 84 2.5.2. Parámetros exógenos del modelo ........................................................................... 86 a) Parámetros de intensidades materiales para el vector de redes eléctricas ..... 87 b) Tiempos, costes y duración de los elementos de la red ..................................... 89 c) Kilómetros de redes iniciales ................................................................................ 92 2.5.3. Descripción de distintos aspectos del modelado ................................................... 92 a) Estimación de las nuevas redes de medio y bajo voltaje ................................... 92 b) Estimación de las redes aéreas y subterráneas de corriente alterna ............... 93 d) Modelización de las nuevas redes eléctricas ...................................................... 95 e) Estimación de los nuevos elementos auxiliares ............................................... 107 f) Ciclo de vida de cada tipo de elemento del sistema eléctrico ............................ 107 g) Estimación del factor de capacidad del sistema a través del curtailment ..... 109 h) Modelización de la dinámica futura de los materiales .................................... 115 i) Pérdidas en las redes HVDC .................................................................................. 120 j) Conexión con las variables existentes en MEDEAS-W ......................................... 121 CAPÍTULO 3: ESCENARIOS .................................................................................................... 123 3.1. Escenarios definidos de MEDEAS – GG ....................................................................... 123 3.2. Interruptores del modelo .............................................................................................. 124 3.3. Escenario base .............................................................................................................. 125 3.4. Escenario de sensibilidad ............................................................................................. 126 3.4.1. Escenario de sensibilidad redes HVDC ................................................................ 126 3.4.2. Escenario de sensibilidad proporción de redes subterráneas ........................... 127 CAPÍTULO 4: RESULTADOS Y CONCLUSIONES ..................................................................... 129 4.1. Resultados ..................................................................................................................... 129 4.1.1. Resultados en el escenario base .......................................................................... 129 a) Evaluación de las formas de modelado en redes AC y HVDC .......................... 130 b) Evaluación del factor de capacidad ................................................................... 142 c) Evaluación de la dinámica de los materiales ................................................... 144 REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 17 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL 4.1.2. Resultados escenarios de sensibilidad redes HVDC ........................................... 146 4.1.3. Resultados escenario de sensibilidad proporción de redes subterráneas ....... 150 4.2. Análisis de los resultados ............................................................................................. 151 4.3. Conclusiones .................................................................................................................. 154 4.4. Líneas futuras de trabajo .............................................................................................. 156 CAPÍTULO 5: BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 159 REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 18 TRABAJO DE FIN DE GRADO – INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 19 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1. Contenido de la memoria 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En este apartado se trata tanto en contexto en el que está englobado el trabajo como la revisión del estado del arte del tema a través de la revisión de la literatura, obteniendo diferentes conclusiones y justificando la motivación de este trabajo. Para finalizar la introducción se relatan los objetivos y las etapas del proceso metodológico. 2. METODOLOGÍA Este capítulo expone los principios básicos de la Dinámica de Sistemas, así como una descripción del programa empleado para modelar. Se explica el modelo MEDEAS-W en el que se añade el módulo creado sobre redes eléctricas. A continuación, se describe el análisis llevado a cabo para obtener las intensidades de materiales de las redes eléctricas y sus elementos auxiliares y se relata el proceso para la estimación de los tiempos de vida, de construcción, costes y futuros kilómetros de la red. Finalmente se expone el modelado y la descripción de los datos, dinámica del modelo, parámetros y escenarios considerados. 3. ESCENARIOS Se describen los escenarios considerados en las simulaciones realizadas y los interruptores seleccionados para cada escenario y simulación. 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES En este apartado se muestran los resultados obtenidos y se realiza un análisis de éstos. Después se elaboran las conclusiones y se exponen las líneas futuras de trabajo. 5. BIBLIOGRAFÍA REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 20 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.2. Contexto en el que se enmarca el trabajo Aunque los humanos han hecho uso del medio natural desde el inicio de su existencia, nunca antes se había producido una alteración tan grande de la biosfera a toda escala espacial como la vivida en este último siglo (Krausmann et al., 2011): el desarrollo industrial y tecnológico, el aumento de las necesidades de los ciudadanos, etc. Existe una dependencia de las personas respecto a la naturaleza. El aumento de la necesidad de alimentos, energía y materiales se hace a expensas de un incremento en la capacidad de la naturaleza para satisfacer estas demandas. Se estima que cuatro mil millones de personas dependen de medicinas naturales para el cuidado de su salud y sobre el 70% de los medicamentos contra el cáncer son naturales o productos sintéticos inspirados por la naturaleza. Por ello, la biodiversidad está disminuyendo más rápido que en cualquier otro momento de la historia de la humanidad. A esto se suma que la mayoría de los recursos utilizados no son totalmente reemplazables, siendo algunos incluso insustituibles (Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services, 2019). Gráfico 1 El estado de las variables de control para siete límites planetarios Fuente: Obtenido de (Steffen et al., 2015) La zona verde es el espacio operativo seguro (por debajo del límite), la amarilla representa la zona de incertidumbre (riesgo creciente), y el rojo es la zona de alto riesgo. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 21 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En el Gráfico 1 se muestra el estado de distintas variables de control para siete de los nueve límites planetarios: Integridad de la biosfera, cambio climático, agotamiento del ozono estratosférico, carga de aerosoles atmosféricos, flujos biogeoquímicos, uso del agua dulce, cambio del sistema terrestre y nuevas entidades. El mayor riesgo se encuentra en la integridad de la biosfera, por la pérdida y extinción de especies de plantas y animales, así como en la biogeoquímica del planeta. El cambio climático y el cambio del sistema terrestre se encuentran en riesgo creciente (Steffen et al., 2015). Gráfico 2 Vías de desarrollo desde 1970 para determinados indicadores clave Fuente: Obtenido de (Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services, 2019) Se muestra un gran aumento en la escala de crecimiento económico mundial y su impacto en la naturaleza, con fuertes contrastes entre países desarrollados, en desarrollo y subdesarrollados. Otro hecho es que los recursos suelen estar distribuidos de forma desigual en el espacio y tiempo, así como entre los diferentes segmentos de la sociedad. En el Gráfico 2 se puede ver como el producto interior bruto (GDP) ha ido crecido a nivel REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 22 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS mundial a lo largo del tiempo (A), sobre todo en los países más desarrollados. A su vez, la extracción de biomasa para satisfacer la demanda de consumo doméstico y exportación es mayor en los países desarrollados y aumenta rápidamente (C). Lo mismo ocurre con el consumo de material per cápita dentro de cada país, el cual es mayor en los países desarrollados (B). Sin embargo, la protección de las áreas clave de la biodiversidad es mayor y está creciendo más en los países más desarrollados (D). En contraposición, la contaminación atmosférica alcanza sus valores más altos en los países menos desarrollados (E) y el uso de fertilizantes en los países en vías de desarrollo. Esto viene a decir que a medida que los países se desarrollan e incrementa el bienestar social, conlleva un aumento de la demanda de bienes de consumo y con ello la extracción del medio natural para conseguirlo. Por otra parte, a medida que los países incrementan su calidad de vida y nivel económico, se mejora la agricultura utilizando menos fertilizantes, así como las tecnologías para disminuir la contaminación atmosférica. Gráfico 3 Cambio acumulado en las emisiones de efecto gas invernado Fuente: Obtenido de (Xia et al., 2021) Se muestra el cambio acumulado en las emisiones de efecto gas invernadero desde 1995-2008 en Gigatoneladas de CO2 equivalente para distintos factores como la tecnología, la población, el consumo por persona, etc. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 23 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS que aun así no consigue compensar el incremento en emisiones que supone el consumo de bienes y servicios y el del aumento de la población. Esto viene a decir que el desarrollo tecnológico no bastará para disminuir las emisiones de CO2 en la atmósfera, sino que será necesario acompañar esta medida de una disminución de los factores causantes de estas emisiones. Fuente: Obtenido de (Masson-Delmotte, V., P. Zhai, H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, et al., 2018) En el panel A) se observa la temperatura global de la superficie terrestre. B) Trayectorias estilizadas de emisiones netas de CO2 a nivel mundial. C) Emisiones netas acumuladas de CO2. D) Trayectorias de forzamiento radiativo no relacionadas con el CO2. Se estima que las actividades humanas han causado aproximadamente el aumento total de 1ºC la temperatura del planeta sobre los niveles pre-industriales. Gráfico 4 Relación del CO2 con el aumento de la temperatura del planeta REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 24 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Si continúa la tendencia actual, se prevé llegar hasta el 1,5ºC entre 2030 y 2052. En el Gráfico 4 se muestra el cambio en la temperatura global observado y modelado, así como las emisiones de CO2. En el panel A) se muestra la temperatura del planeta. Desde 1960 hasta 2017 se lleva a cabo una estimación del calentamiento antropogénico obteniendo su rango más probable, donde obtenemos un ascenso de la temperatura desde los 0,25ºC hasta 1ºC aproximadamente. A partir del 2017, se lleva a cabo una modelización según diferentes escenarios y trayectorias. En gris se representa un escenario en el que se alcanzan las cero emisiones de CO2 para 2055 y una reducción de las radiaciones emitidas por este compuesto para 2030. Con estas medidas se prevé evitar la llegada del planeta al 1,5ºC de temperatura. Si se lleva un descenso más acentuado (zona azul) de las emisiones, la temperatura del planeta alcanzará valores inferiores más rápido. Si no se forzase la disminución de las radiaciones de CO2 (zona morada) decrecería la probabilidad de limitar el aumento de temperatura. En el Acuerdo de París adoptado en la Conferencia sobre el Clima de París (COP21) en 2015, se establece un marco global con objeto de mitigar el cambio climático. Su meta consiste en limitar la subida de la temperatura del planeta a 2˚C y a ser posible 1,5ºC. El elemento clave para llevarlo a cabo es la reducción de las emisiones de efecto gas invernado en la atmósfera (Unión Europea, 2016). Los gobiernos e instituciones europeos han apostado por una transición global hacia las energías renovables para evitar las emisiones de efecto gas invernadero y las consecuencias climáticas producidas por la utilización de recursos no renovables como el petróleo y el gas. Para ello, las energías renovables variables van a contribuir como un elemento clave, por lo que se busca aumentar su potencia instalada. En la cumbre del clima COP25 celebrada en Madrid en 2019, el gobierno español presentaba el informe elaborado por Acciona y Bloomberg New Energy Finance (BNEF) donde la potencia instalada de eólica aumentará 54GW y 49GW para la solar, formando el 74% de la electricidad generada para 2050 en España entre ambas (García, 2019). Las energías renovables variables son fuentes de energía renovable intermitentes («Variable Renewable Energy», 2021) que poseen una naturaleza fluctuante. En este tipo de tecnologías se engloba la energía solar y la eólica, puesto que dependen de las condiciones atmosféricas del momento, la latitud, la situación geográfica, etc. A diferencia de estas, la energía hidráulica o la biomasa son controlables, así como la energía geotérmica (la cual es constante). REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 25 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En España, como se puede observar en el Gráfico 5, se comienza a instalar energía solar y eólica en el año 2004. En la actualidad la potencia instalada total en España de energía solar más eólica supera la de hidráulica. Sin embargo, este tipo de energías variables conllevan desventajas y limitaciones como la dependencia de las condiciones climáticas del lugar en el que nos encontremos (Bussar et al., 2014) y la intermitencia ligada a las horas limitadas en las que existen buenas condiciones de sol y viento. Gráfico 5 Potencia instalada de diferentes energías renovables en España Fuente: Elaboración propia a partir de los datos extraídos de https://www.ree.es/es/datos/publicaciones/series-estadisticas-nacionales Potencia instalada de energía eólica, solar (concentrada + fotovoltaica) y hidráulica desde 2004 hasta 2020 Para reducir la dependencia del uso de energías no renovables y abastecer toda la demanda en los momentos en que las turbinas eólicas y las fotovoltaicas no lo consigan, se están estudiando diferentes medidas (Schaber, Steinke, Mühlich, et al., 2012): • Gestión de la demanda energética: consiste en modificar los hábitos del consumidor mediante incentivos financieros y cambios en la enseñanza, de forma que se pueda ajustar la oferta a la demanda de energía y no disponer de energía sobrante o deficiente. • Integración de sectores (sector coupling): se refiere a la idea de interconectar los sectores que consumen energía – edificios (calefacción y refrigeración), transporte e industrias – con el sector productor de energía 2004 2008 2012 2016 2020 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 MW potencia instalada Eólica Solar total Hidráulicas REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 32 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS La revisión de la literatura se divide en dos partes. En la primera se tratará lo relacionado con la revisión de los materiales necesarios para la construcción y mantenimiento de la red. En la segunda se verá la literatura que trata el modelado de la expansión de la red. 1.3.1. Materiales de la red En este apartado se trata la revisión de la literatura relacionada con la obtención de datos sobre las necesidades materiales que tienen las redes eléctricas de trasmisión y distribución. Un tipo de estudios de mucha utilidad a la hora de obtener datos sobre los materiales que requiere una red son los LCA (análisis de ciclo de vida). Según (Harrison et al., 2010), un LCA es un “análisis de todos los impactos ambientales de un producto, proceso o servicio desde la extracción de las materias primas, pasando por la producción y el uso hasta su eliminación”. Se han hecho análisis de este tipo para redes de diferentes regiones, evaluando el impacto que causan los requerimientos materiales para la construcción, mantenimiento y para su desmantelación. Se puede ver una descripción gráfica de lo que es un LCA en el Gráfico 11. Gráfico 11 Ciclo de vida de una red de transmisión Fuente: (Harrison et al., 2010) Proceso para la construcción de una red eléctrica de transmisión desde la extracción de las materias primas hasta su construcción. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 33 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Tabla 2 Comparación entre estudios sobre materiales de la red eléctrica Fuente Tipo de estudio Región Tipo de red Elementos del sistema Tipo de dato Transmisión Distribución (Harrison et al., 2010) LCA Gran Bretaña ✓ Líneas aéreas y subterráneas Primario (Bumby, 2010) Evaluación del impacto de la red subterránea vs aérea Sur de California ✓ Líneas aéreas y subterráneas Primario (Blackett et al., 2008) Comparación de distintos elementos de la red - ✓ Torres aéreas, aislantes y conductores Primario (Jorge et al., 2012a, 2012b) LCA - ✓ ✓ Líneas aéreas, subterráneas y submarinas Primario (Garcia et al., 2014) LCA Portugal ✓ ✓ Líneas aéreas, subterráneas y submarinas Secundario (Jones & McManus, 2010) LCA - ✓ Líneas aéreas y subterráneas Primario (Turconi et al., 2014) LCA Dinamarca ✓ Líneas aéreas y subterráneas Primario (Arvesen et al., 2015) LCA Noruega ✓ ✓ Líneas aéreas, subterráneas y submarinas Secundario (Deetman et al., 2021) IAM Mundo ✓ ✓ Líneas aéreas y subterráneas Secundario Fuente: Elaboración propia En la Tabla 2 se recogen todos los estudios revisados que tratan los materiales que componen las redes eléctricas, así como las regiones y los elementos del sistema tratados en cada estudio. También se especifica si los datos que se utilizan provienen de fuentes primarias o secundarias. Cuando se dice que un dato es primario se refiere a que el autor lo ha obtenido directamente de un catálogo comercial (de redes o elementos auxiliares de la red en este caso) o de información directa de un operador de red. Si por el contrario los datos son secundarios, significa que el autor ha extraído los datos de otros estudios. En este trabajo se REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 34 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS utilizan los datos reportados en otros estudios (por lo tanto, serían datos secundarios) asumiendo diferentes hipótesis y cálculos intermedios para su obtención. En el artículo de (Gargiulo et al., 2017) se revisan los LCA existentes para las redes eléctricas. Evalúa los resultados de estudios como (Arvesen et al., 2015; Blackett et al., 2008; Bumby, 2010; Garcia et al., 2014; Jones & McManus, 2010; Jorge et al., 2012a, 2012b). En (Harrison et al., 2010) se realiza un LCA para la transmisión eléctrica de Gran Bretaña, incluyendo tanto líneas aéreas como subterráneas, y elementos auxiliares como la subestaciones y transformadores. Se analiza toda la energía y emisiones de CO2 involucradas desde la extracción de las materias primas para la fabricación de la red hasta su eliminación al final de la vida útil. En (Bumby, 2010) se elabora un estudio para evaluar el impacto de llevar a cabo una expansión de la red de distribución requerida en el sur de California. Se analiza el caso de realizar la red de forma aérea versus realizarla subterránea para proporcionar una herramienta para la toma de decisiones del Estado de California. (Blackett et al., 2008) realiza una comparación del impacto que causan diferentes elementos del sistema de red eléctrico aéreo: torres de aluminio contra torres de acero, aislantes de porcelana contra conductores de vidrio y dos tipos de conductores diferentes. (Jorge et al., 2012a) elabora un estudio del LCA de distintos tipos de redes de alta tensión, tanto aéreas, subterráneas como submarinas, así como de sus elementos auxiliares. Es uno de los estudios más completos ya que obtiene los datos primarios del fabricante de componentes ABB y es el más citado por el resto de los autores. (Garcia et al., 2014) muestra el LCA para la red de Portugal, determinando el número de kilómetros de cada tipo de línea (aérea, subterránea y submarina) de su red, así como el número de transformadores y subestaciones. Utiliza los datos del estudio de (Jorge et al., 2012a) para evaluar el impacto energético y ambiental que conlleva la construcción de esta red. (Jones & McManus, 2010) analiza el ciclo de vida de una red de 11 kV aérea y otra subterránea de distribución para comparar sus impactos. En (Turconi et al., 2014) se analiza la red eléctrica de distribución de Dinamarca. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 35 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En (Arvesen et al., 2015) se trata la red de Noruega para evaluar el transporte de energía eléctrica según los distintos tipos de voltaje para obtener los impactos que causa en la región. En (Deetman et al., 2021) se lleva a cabo un IAM – Integrated Assessment Model (Modelo de evaluación integrada) con el modelo IMAGE. Según (de-Blas et al., 2021), un IAM es “una herramienta de simulación numérica diseñada para ayudar a comprender las relaciones entre un gran número de variables tecnológicas, económicas, ambientales y sociales que caracterizan el desarrollo de la sociedad”. La primera versión del modelo IMAGE se desarrolló en 1990 llegando hasta su última versión IMAGE3.0 bajo la autoridad de la Agencia de Evaluación Ambiental de los Países Bajos (PBL). El autor recoge los datos de los kilómetros de redes eléctricas de todo el mundo y, a partir de los datos de materiales obtenidos a partir de fuentes como (Harrison et al., 2010; Jorge et al., 2012a, 2012b; Turconi et al., 2014), mencionadas anteriormente, evalúa los impactos ambientales que genera la red de transmisión y distribución eléctrica. 1.3.2. Modelado de expansión de la red En la actualidad se está impulsando la expansión de la red eléctrica en la Unión Europea, con el objetivo de conseguir (Gargiulo et al., 2017): • Seguridad en el suministro de energía • Integración del mercado: facilitar importaciones y exportaciones entre países • Incrementar la cuota de producción procedente de fuentes de energía renovables. • Permitir el aumento de la distancia entre los centros de generación y carga para facilitar la penetración de la energía solar y eólica o Los centros de generación energética están siendo ubicados en nuevos lugares que permiten un acceso a condiciones más favorables para las energías renovables Los impactos de la red surgirán de la instalación, el mantenimiento y pérdidas de potencia durante su uso y el desmantelamiento una vez finalice su tiempo de vida. Desde hace unos años se ha comenzado a considerar y analizar escenarios futuros relacionados con el descenso de las emisiones de CO2 y la penetración de las EERR (Energías renovables) dentro del mix energético de cada región. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 36 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Con objeto de evaluar el estado del arte acerca de la situación actual sobre la expansión de las redes, se han revisado los siguientes artículos donde se habla de la necesidad de incrementar la red eléctrica: En (Deetman et al., 2021) se elabora una proyección de las necesidades de material a nivel mundial tanto para la generación, transmisión y almacenamiento de la energía eléctrica. Se considera que el aumento en la capacidad de generación eléctrica va a conllevar un incremento de la expansión de la red y se obtienen las necesidades materiales para el 2050 a través del modelo IMAGE, como se expuso en el apartado anterior. Gráfico 12 Distribución de los generadores y almacenamiento en la región EUMENA para 2050 Fuente: (Bussar et al., 2014) Resultado del estudio que muestra la distribución de los generadores de potencia eléctrica (izquierda) y los distintos tipos de almacenamiento de la energía (derecha) en la región EUMENA para el año 2050. En (Berrill et al., 2016), se estudian 45 escenarios diferentes para Europa de penetración de renovables para diferentes porcentajes de energía eólica o fotovoltaica dentro de cada uno, penalizando de dos formas diferentes el CO2 emitido (50€/t o 150€/t). Se lleva a cabo un modelo de optimización que muestra, para cada escenario considerado, el resultado óptimo de cada gestión de la intermitencia considerada: Almacenamiento – mediante baterías NaS y PHS REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 37 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS (Almacenamiento eléctrico por bombeo), corte de suministro (curtailment) y la extensión de la red eléctrica. Solo trata el aumento de la red de transmisión de tipo HVDC (alto voltaje en corriente continua) entre países vecinos (conexiones internacionales). En (Bussar et al., 2014; Thien et al., 2012) se evalúa un mix energético futuro formado en su 100% por energías renovables. A través del modelo GENESYS, una herramienta de optimización que utiliza algoritmos genéticos, es capaz de obtener el aumento necesario de los GW·km de red eléctrica necesaria interconectar los países que forman la región de EUMENA (Europa, Oriente Medio y Norte de África) con líneas HVDC, así como el almacenamiento necesario para llevarlo a cabo. Las tecnologías de almacenamiento utilizadas son el hidrógeno, PHS y las baterías NaS. Se puede ver el resultado obtenido de su modelo en el Gráfico 12. En (Schaber, Steinke, & Hamacher, 2012; Schaber, Steinke, Mühlich, et al., 2012) se realza el papel de la red de transmisión y el almacenamiento energético en la región de Europa para poder integrar la energía solar y eólica superando los desafíos que éstas suponen. A través de un modelo de optimización lineal tratan los costes por MW de capacidad instalada debido al aumento de la red para la integración de las VRE, así como las conexiones cruciales en Europa. Estudian cuatro escenarios posibles para analizar la repercusión de utilizar líneas aéreas respecto a líneas subterráneas y el impacto que ocasionaría no realizar un aumento de la red. Gráfico 13 Super-red diseñada para el Noreste Asiático Fuente: (Breyer et al., 2015) Diseño de una super red que conecte el noreste asiático para aprovechar los recursos de las regiones interconectadas mediante líneas del tipo HVDC. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 38 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En el estudio de (Breyer et al., 2015) se analiza lo que supondría la construcción de una red que aproveche los recursos del desierto de Gobi en Mongolia, el viento y los recursos solares del Tíbet y las grandes instalaciones hidroeléctricas en Japón, China central y sudeste conectados por una super red del tipo HVDC en el nordeste asiático. Véase el Gráfico 13. Gráfico 14 Super red para el Este asiático y Australia Fuente: (Gulagi et al., 2017) Super red elaborada para conseguir un modelo de coste óptimo que interconecte la región del este asiático con Australia en un escenario en el que el mix energético esté formado en su totalidad por recursos renovables. Similar al estudio anterior, (Gulagi et al., 2017) elabora una super red que conecta el este asiático con Australia con el objetivo de encontrar un sistema basado en un 100% de recursos renovables de coste óptimo (Gráfico 14). En (Child et al., 2019) se evalúan dos posibles caminos hacia un mix energético formado en su 100% por recursos renovables en 2050 en Europa. Emplea el modelo LUT Energy System. En el primer escenario se modelan las regiones de forma independiente y en el segundo se permite la interconexión entre éstas. En este estudio se demuestra cómo es posible económicamente la transición hacia un sistema formado por energías limpias en su totalidad. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 39 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Tabla 3 Cambio en las necesidades de redes eléctricas Escenario base (TWkm) 267 Cambio en las redes de transmisión (TWkm) % de redes de transmisión en comparación con el escenario base % cambio con relación al escenario base Gestión de la demanda energética (DSM): fracción de turismos a los que se permite cargar sus vehículos en horarios más baratos 25% 253 -14 94,76% -5,24% 50% 248 -19 92,88% -7,12% 100% 243 -24 91,01% -8,99% Vehicles to grid (V2G): fracción de los turismos que pueden realimentar su carga excendente a la red si es rentable 25% 232 -35 86,89% -13,11% 50% 210 -57 78,65% -21,35% 100% 177 -90 66,29% -33,71% Fuel cell (FC): Fracción de la demanda de transporte que se satisface con vehículos eléctricos de pila de combustible 25% 267 0 100,00% 0,00% 50% 267 0 100,00% 0,00% 100% 273 6 102,25% 2,25% Integración de sectores Calefacción y refrigeración 549 282 205,62% 105,62% Producción de gas 457 190 171,16% 71,16% Producción de gas + tecnologías de almacenamiento a corto plazo (3 días) 458 191 171,54% 71,54% Escenario combinado 1 411 144 153,93% 53,93% Escenario combinado 2 443 176 165,92% 65,92% Escenario combinado 3 398 131 149,06% 49,06% Escenario combinado 4 359 92 134,46% 34,46% Fuente: Elaboración propia a partir de los datos de (Brown et al., 2018) En la tabla se obtiene el cambio en la necesidad de redes eléctricas para diferentes escenarios respecto a un escenario base, considerando la gestión de la demanda (DSM), vehicles to grid (V2G), los vehículos de pila de combustible (fuel cell) y la integración de sectores, tanto para la calefacción y refrigeración como la producción de gas. También se considera que existen dispositivos de almacenamiento de energía en el sistema. Escenario combinado 1: producción de gas, calefacción, almacenamiento a corto y largo plazo, calefacción urbana. Escenario combinado 2: producción de calor y gas + calefacción urbana. Escenario combinado 3: producción de gas, de calefacción, almacenamiento corto plazo + DSM 50% + V2G 50%. Escenario combinado 4: producción de gas, de calefacción, almacenamiento de largo y corto plazo +, DSM 50% + V2G 50%. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 40 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En (Brown et al., 2018), como se comentó en el apartado anterior, se examina un modelo que incluye la integración de sectores como el transporte y la calefacción, así como el refuerzo de las redes de transmisión a nivel continental. Se desarrolla con el modelo PyPSA-Eur-Sec-30 para la región de Europa. En la Tabla 3 se muestra una comparativa entre diferentes escenarios considerados en este estudio. Se observa que los cambios en los hábitos de los consumidores (gestión de la demanda energética o demand side management – DSM) permitiendo que éstos carguen sus vehículos eléctricos en los momentos de mayor disponibilidad de energía (menor coste para ellos), conlleva un menor uso de las redes eléctricas (disminuye entre un 5 y un 9% la red). Lo mismo ocurre si se gestiona la fracción de turismos a los que se permite realimentar con su carga excedente la red en los momentos en los que esto sea rentable (vehicles to grid), disminuyendo entre un 13 y un 33% la red respecto al escenario base. El hecho de que una parte de los vehículos utilicen pila de combustible no modifica la red. Cuando se integran los distintos sectores, las necesidades de las redes aumentan hasta casi el doble con relación al escenario base (70-100%). Sólo se consigue disminuir esta necesidad de redes cuando se incluyen a mayores DSM y V2G (30-50%). REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 41 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.4. Conclusiones de la revisión de la literatura y motivación Existen múltiples estudios que analizan las consecuencias que conllevará la penetración de las energías renovables con objetivo de disminuir las emisiones de CO2 en la atmósfera. La conclusión de todos es que es necesario acompañar esta transición de una expansión de la red eléctrica. Sin embargo, no se evalúa cómo afectaría añadir en estos modelos el factor de la descentralización (Bauknecht et al., 2020), ya que los kilómetros de redes dependen de cómo esté configurado el sistema en su totalidad. Si se promueve el autoconsumo eléctrico a partir de fuentes de energía renovables, disminuirían las redes eléctricas necesarias conectar los centros de producción con los consumidores porque se produciría energía en el propio lugar de consumo. En los estudios de (Berrill et al., 2016; Bussar et al., 2014; Schaber, Steinke, & Hamacher, 2012; Thien et al., 2012) se realizan análisis de flujo de potencia (power flow analysis). En este tipo de análisis el propio autor fija una configuración considerada del sistema eléctrico a partir de sistemas GIS (Sistemas de información geográfica). Contabilizando los kilómetros entre cada conexión con los GW de potencia instalada en la misma, se obtiene el total de GW·km de la red eléctrica. Sin embargo, esta dimensión está fuera de los IAMs de típica resolución anual. Además de esta gran diferencia en el tipo de modelo, se centran únicamente en la situación futura para la región de Europa para las líneas HVDC internacionales. Solo evalúan las conexiones entre países de Europa para el intercambio de energía entre ellos. No entran en la evaluación de las redes de corriente alterna ni tampoco de las redes de distribución. Tampoco se analiza de forma global la implicación de los materiales necesarios para su construcción y los costes. Los LCA mostrados en el subapartado anterior muestran los materiales necesarios para construir redes de distintos tipos y en diferentes regiones (algunos tratan la distribución y otros la transmisión, mientras que en escasos estudios se evalúan ambas). En (Jorge et al., 2012a) por ejemplo, algunos de los datos reportados tienden a estar desfasados o a reflejar únicamente la situación en EEUU, que es muy diferente de otras regiones porque se mantienen las mismas redes eléctricas desde hace cien años gracias al mantenimiento. Por ello es necesario examinar con pulcritud los datos ofrecidos por los estudios para mejorar la estimación de los requerimientos materiales para las redes eléctricas. (Deetman et al., 2021) es la fuente más útil en este trabajo ya que el modelo de IMAGE es un IAM de resolución anual comparable con el modelo que se utilizará en este proyecto. Se analiza para distintos tipos de redes (tanto de transmisión como de distribución, aéreas y subterráneas), los impactos en términos de REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 48 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Un ejemplo sencillo que utiliza Jay Forrester en su libro (Forrester, 1971) es el llenado de un vaso de agua, mostrado en el Gráfico 17. Fuente: Obtenido de (Forrester, 1971) Se muestra los parámetros relacionados con el llenado de un vaso de agua: el flujo de materia (agua), el nivel del agua, la información y el accionador (mano). No consiste simplemente en que entre agua en el vaso, sino que hay una realimentación entre el nivel de agua que alcanza el vaso que se percibe a través del ojo humano y el control que se ejerce con la mano para impedir que se desborde el vaso de agua. Fuente: Obtenido de (Forrester, 1971) Llenado de agua mostrado a través de la terminología utilizada en la ciencia de la automática Gráfico 17 Parámetros en el llenado del vaso de agua Gráfico 18 Llenado de agua en terminología de automática REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 49 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA En terminología de automática (Gráfico 18) la vista actúa de control (realimentación) sobre el nivel de agua deseado. Existen dos clases de modelos (Martín García, 2017) ▪ Modelos de predicción: buscan ofrecer datos acerca de una situación futura del sistema que se ha modelado ▪ Modelos de gestión: establecen si una alternativa es mejor que otra para el sistema modelado Esta herramienta se ha diseñado para satisfacer el segundo tipo de modelos, los de gestión, ya se busca la utilidad en la comparación entre diferentes acciones o políticas llevadas a cabo, donde no es necesaria tanta precisión como para un modelo predictivo. 2.1.1. Diagrama causal Para representar el sistema se utilizan los diagramas causales, los cuales (Martín García, 2017) define como: “un diagrama que recoge los elementos clave del Sistema y las relaciones entre ellos”. Gráfico 19 Flechas y tipos de bucles Fuente: Obtenido de (Martín García, 2017) A la izquierda, tipos de flechas (relación positiva y negativa) utilizadas en la Dinámica de Sistemas. A la derecha, los dos tipos de bucles existentes, positivo y negativo. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 50 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Para representar las relaciones entre variables se utilizan flechas, como se muestra en la parte izquierda del Gráfico 19. ❖ Relaciones positivas: cuando un aumento de A provoca un incremento de B, o bien al reducir A se decrementa B ❖ Relaciones negativas: cuando un aumento de A provoca un decremento de B o bien, un decremento de A provoca un aumento de B. Cuando las relaciones causales forman una cadena cerrada, se denomina bucle de retroalimentación o feedback. En función del número de relaciones tenemos bucles positivos o negativos, mostrado en la parte de derecha del Gráfico 19: ❖ Bucles positivos: cuando el número de relaciones negativas es par. Llevan al modelo hacia una situación de inestabilidad. ❖ Bucles negativos: cuando el número de relaciones negativas es impar. Llevan al modelo hacia una situación de estabilidad. Los sistemas están formados por múltiples bucles y su comportamiento final va a verse afectado por cuál esté dominando el sistema en cada momento. 2.1.2. Diagramas de flujo o de Forrester Un diagrama de flujo, según (Martín García, 2017) es “una traducción del Diagrama Causal a una terminología que permite la escritura de las ecuaciones en el ordenador para así poder validar el modelo, observar la evolución temporal de las variables y hacer análisis de sensibilidad”. Está formado por tres elementos principales, Gráfico 20: ▪ Nivel o Stock: se representa con un nivel o stock a aquellos elementos que se acumulan dentro del sistema. ▪ Flujo: representan las variaciones en los niveles. ▪ Variables auxiliares y constantes: parámetros que condicionan cómo se van a comportar los flujos en el sistema. ▪ Retardos: sirven para simular retrasos entre la transmisión del material o información. Se emplean funciones como DELAY o SMOOTH. Volviendo al símil de Jay Forrester para ejemplarizar estos elementos, la variable de nivel representaría el volumen de agua que hay dentro del vaso, que irá aumentando cuanto más abierto esté el grifo (variable de flujo “Apertura”). REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 51 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Cuando el nivel de agua supere cierto valor (flecha entre nivel de agua y apertura del grifo) - controlador, el flujo de entrada de agua se reducirá para ajustarse al valor deseado. El nivel de agua solo podrá disminuir a través de la variable de flujo saliente “Consumo” que representa el agua que se bebe del vaso y por tanto reduce el contenido del vaso. Gráfico 20 Elementos principales de un diagrama causal o de Forrester Fuente: Elaboración propia Elementos de un diagrama causal o de Forrester: flujos, stock o nivel, variable auxiliar y constante y retardo. De forma matemática, quedaría de la siguiente forma: 𝑆𝑡𝑜𝑐𝑘 (𝑡)= ∫[𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (𝑠)− 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (𝑠)]+ 𝑆𝑡𝑜𝑐𝑘 (𝑡0) (Ec 2.1) 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑡)= ∫[𝐴𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑠)− 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 (𝑠)]+ 𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 (𝑡0) (Ec. 2.2) Si hubiese un retardo entre la salida y la entrada de agua en el vaso se enunciaría matemáticamente de la siguiente forma: 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 (𝑡)=𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 (𝑡−𝑇) (Ec. 2.3) Donde T representaría el retardo. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 52 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA 2.1.3. Proceso de modelado La construcción de un modelo posee distintas etapas, reflejados a través del Gráfico 21: Gráfico 21 Fases del modelado Fuente: Elaboración propia Diagrama que muestra el proceso de las fases del modelado [1] Articulación del problema: se elige el problema a considerar y sus variables claves. Se define un horizonte temporal en el que se va a tratar el sistema y se utiliza información del comportamiento y tendencias históricas de las variables [2] Formulación de hipótesis: una hipótesis, según la RAE, es “la suposición de algo posible o imposible para sacar de ello una o más consecuencias”. Se realizan las hipótesis sobre cómo se van a comportar las variables y las relaciones entre éstas junto con las realimentaciones que se producen en el sistema. En este apartado se elabora el diagrama causal [3] Formulación de un modelo de simulación: se establecen unas condiciones iniciales para el modelo y se prueban las hipótesis iniciales para comprobar el funcionamiento de éste. [4] Pruebas: se somete al modelo a diferentes pruebas en condiciones extremas o de incertidumbre para poder perfeccionarlo y darle veracidad. [5] Diseño y evaluación de políticas de mejora: una vez teniendo un modelo fiable y contrastado se diseñan diferentes escenarios y políticas al 1.Articulación del problema 2.Formulación de hipótesis 3.Formulación del modelo dinámico 4.Pruebas 5.Diseño de políticas y evaluación REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 53 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA sistema con objeto de evaluar los efectos de estas políticas y su interacción con el sistema. El proceso de modelado está condicionado por el aprendizaje en el proceso, la “prueba y error” y por tanto no se puede establecer como un proceso secuencial, sino fragmentado, donde se salta de un paso al siguiente pero también al anterior, con un cuestionamiento continuo en busca de la perfección del modelo. 2.1.4. Programa empleado: VenSim DSS El programa utilizado para el modelado de la Dinámica de Sistemas, como se ha venido diciendo en capítulos anteriores, es VenSim en su versión DSS (Decision Support System), la más completa de todas las existentes. Este programa permite construir modelos a partir de diagramas como los mostrados en el subapartado anterior para programar, simular, analizar y optimizar modelos de sistemas dinámicos (Martín García, 2017). Se introducen fórmulas para cada variable y el programa almacena los datos que resultan tras llevar a cabo la simulación. 2.1.5. Características del modelado en VenSim Las principales características de modelar en VenSim son (Ventana Systems. Vensim User Guide, s. f.): 1. Conceptos matemáticos: VenSim emplea ecuaciones integrales como las mostradas en subapartados anteriores (Ec. 2.1). Dentro de la integración, permite seleccionar entre distintos métodos de integración: a. Euler: Solución más rápida y sencilla y empleada en este trabajo b. Diff: utiliza Euler almacenando los valores de las variables auxiliares en un paso anterior. Se utiliza en las ecuaciones en diferencia. c. RK4: Integración Runge-Kutta de cuarto orden cuando se necesita obtener una respuesta precisa. 2. Secuencia computacional: VenSim utiliza la estructura causal para determinar la secuencia óptima de cálculo. Los pasos realizados para REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 54 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA la simulación se modifican según el método de integración. Para Euler: a. Preparación: se ajustan todas las constantes a los valores especificados para cada una procesando después todos los cambios y referencias de las hojas de cálculo. Se leen así los datos, valores y ecuaciones. b. Inicialización: después de este paso todas las variables stock/nivel tendrán asignado valores, así como algunas variables auxiliares. c. Cálculo de variables auxiliares: se calcula mirando cada ecuación. d. Almacenamiento de los resultados: se guardan los valores de las variables nivel y auxiliares que resultan de las de nivel. e. Cálculo de la Tasa Neta: para cada variable stock en el modelo f. Integración: los resultados del paso anterior se multiplican por el TIME STEP (valor que define al principio de crear el modelo) y después se añaden a los valores de los niveles g. Continuación: se repiten los pasos c),d),e) y f) hasta que se llega al FINAL TIME (tiempo final de la simulación) Gráfico 22 Editor de ecuaciones del programa VenSim Fuente: Captura de pantalla del programa VenSim Editor de ecuaciones de VenSim para una variable auxiliar llamada “initial capacity in construction PHS”. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 55 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA 3. Ecuaciones: muestran las relaciones matemáticas existentes entre las variables que forman el modelo. Se introducen en el “Editor de ecuaciones” (Gráfico 22). 4. Interfaz de usuario: son herramientas que proporciona el propio software para permitir al usuario la construcción ejecución y análisis de distintos modelos. La ventana principal es el denominado ‘Workbench” o “Banco de trabajo”, que incluye la barra de título, menú, barra de herramientas y de análisis, Gráfico 23. Gráfico 23 Interfaz de usuario en Vensim. Ventana principal Fuente: Obtenido del TFM de Noelia Ferreras Alonso. 5. Control de subíndices: (Subscript Control) Sirve para añadir un vector a una variable, agregando ecuaciones diferentes a cada posición del vector, Gráfico 24. 6. Análisis y simulación, gráficas y tablas: una herramienta de análisis que ofrece este programa son los “Tree Diagrams”, los cuales permiten estudiar la estructura del modelo. Tras realizar la simulación de éste (botón “Simulate” de la barra principal de herramientas y dando un nombre al archivo donde se guardarán los datos de la simulación) se puede examinar el comportamiento en detalle del modelo a través de los gráficos y tablas – en la barra izquierda de la ventana principal. VenSim almacena en cada archivo resultante de cada simulación todo el comportamiento dinámico de las variables REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 56 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA que conforman el modelo, permitiendo su visualización en cualquier momento y la comparación entre distintas pruebas. Gráfico 24 Control de subindices en Vensim Fuente: Obtenido del TFM de Noelia Ferreras Alonso. 7. Importar datos externos: para facilitar la introducción de grandes cantidades de datos en el modelo, VenSim permite importar datos exógenos desde un archivo de texto u hoja de cálculo Excel (empleado en este trabajo). Dentro del editor de ecuaciones, es necesario introducir la función “GET XLS DATA (Nombrefichero.xlsx, Hoja, Fila, Celda) 2.2. MEDEAS-W 2.2.1. Descripción general del modelo MEDEAS El modelo que se desarrollará en este trabajo será una aportación a la familia de modelos MEDEAS en la que trabaja el grupo de investigación GEEDS (Grupo de Energía, Economía y Dinámica de Sistemas). Existen varios modelos de MEDEAS en función de las regiones. El modelo utilizado para el presente trabajo será MEDEAS WORLD 2.0, la cual engloba todas las regiones juntas (I. Capellán-Pérez et al., 2020). Los modelos de MEDEAS siguen un horizonte temporal desde el 1995 hasta 2050 o 2060 por lo general, aunque éste puede ser ampliable hasta 2100 si el análisis estratégico se realiza a largo plazo. MEDEAS-W engloba siete módulos: economía y población, uso de la tierra, impacto social y medioambiental, clima, materiales, infraestructuras y disponibilidad energéticas (Gráfico 25): REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 57 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA • Economía: la economía en MEDEAS se modela siguiendo un enfoque postkeynesiano que asume un desequilibrio, un crecimiento basado en la demanda y restricciones en la oferta. La estructura económica se capta mediante la integración de 35 sectores industriales. • Energía: este módulo incluye la disponibilidad de los recursos energéticos renovables y no renovables, teniendo en cuenta las limitaciones biofísicas y temporales. Se consideran en total 5 combustibles finales: electricidad, calor, sólidos, gases y líquidos, y se modelizan diversas tecnologías energéticas. Se ha seguido un enfoque basado en la energía neta. • Infraestructuras: Representan las centrales eléctricas para generar electricidad y calor • Materiales: se incluyen las necesidades de materiales para la construcción y funcionamiento de las infraestructuras energéticas. Las demandas de extracción se comparan posteriormente con los niveles de las métricas disponibles de reservas y recursos. • Uso del suelo: Necesidades del suelo de las energías renovables (el módulo menos desarrollado en MEDEAS) • Cambio climático: en este módulo se proyectan los niveles del cambio climático debido a las emisiones de gases de efecto invernadero generadas por la sociedad humana, las cuales se retroalimentan a través de una función de daño (damage). • Indicadores de impacto social y medioambiental: se traducen los resultados biofísicos de las simulaciones en métricas relacionadas con los impactos sociales y medioambientales. El objetivo de este módulo es contextualizar las implicaciones para las sociedades humanas en términos de bienestar para cada simulación. MEDEAS-World se diferencia del resto de modelos existentes en la literatura por incorporar tres límites al crecimiento que rara vez se tienen en cuenta: disponibilidad de energía teniendo en consideración las limitaciones biofísicas y temporales, el descenso de los niveles de EROI y los impactos consistentes del cambio climático. La disponibilidad de minerales también se contempla en el marco. La demanda para minerales en tecnologías RES y baterías de vehículos eléctricos es calculada para cada aspecto clave, eligiendo una tecnología representativa, y evitando las más afectadas por los minerales más escasos. Se estima el consumo de minerales llevado a cabo por el resto de la economía, dada la estrecha relación entre la actividad económica y consumo de minerales en el actual sistema socioeconómico industrial. MEDEAS-W compara la demanda primaria total de minerales que debe ser extraído de las minas (después de tener en cuenta las tasas de reciclaje RC, en contenido reciclado) con el nivel estimado de su REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 64 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Otra clasificación secundaria para cada tipo de línea es según el tipo de voltaje que transmite la red. Como se ha dicho anteriormente, las líneas de transmisión son aquellas que transportan la electricidad a un alto voltaje, mientras que las de distribución lo hacen a voltajes inferiores (medio y bajo). En función del voltaje que lleva la red, se distingue entre: ❖ Alto voltaje (HV – High Voltage): cuando el voltaje es mayor o igual que 132 kV ❖ Medio voltaje (MV – Medium Voltage): cuando el voltaje está comprendido entre 1 y 132 kV ❖ Bajo voltaje (LV – Low Voltage): cuando el voltaje es inferior a 1 kV. Por último, otro factor diferencial de los tipos de red es el tipo de corriente: continua o alterna. La diferencia entre ambas es de qué manera se mueven los electrones dentro del conductor. Para una red de corriente continua, los electrones se mueven desde el polo negativo hasta el positivo, manteniendo el sentido del flujo de portadores de carga constante. Por el contrario, en la corriente alterna las polaridades se invierten periódicamente, cambiando la intensidad de positiva a negativa según una función sinusoidal (Gráfico 31). Gráfico 31 Corriente continua vs Corriente alterna Fuente: Obtenido de https://www.diariomotor.com/que-es/mecanica/cuales-son-las- diferencias-entre-corriente-continua-y-corriente-alterna/ En el gráfico se observa la función en forma de onda de la corriente alterna en comparación con la constante de la corriente continua REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 65 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Gráfico 32 Coste de una red continua versus alterna Fuente: Obtenido de https://www.linquip.com/blog/hvdc-vs-hvac-transmission-systems/ A partir del punto break-even distance, la red alterna comienza a ser más cara que la red continua. La corriente alterna es a día de hoy la más utilizada ya que los sistemas que llevan este tipo de corriente son más fáciles de diseñar, fabricar y mantener, permitiendo además transportar una mayor cantidad de energía eléctrica de forma eficiente (Diario Motor, s. f.). Sin embargo, cuanto la energía se debe transportar en grandes distancias (supera el break-even distance, a partir de los 600 km aproximadamente), el coste total comienza a ser más barato si se utiliza la corriente continua (Gráfico 32). Las redes del tipo HVDC (alto voltaje de corriente continua) están creciendo para facilitar el desarrollo económico global, ya que se emplean para facilitar las interconexiones entre países y permitir la exportación de energía eléctrica. Su construcción comenzó en 1950 (Gráfico 33). Gracias al desarrollo de las tecnologías de los convertidores, interruptores y demás elementos auxiliares que forman las subestaciones, se ha podido extender su uso aunque actualmente sean un pequeño sistema añadido a la red de corriente alterna existente (Wang et al., 2020). En Europa se han construido más de treinta enlaces HVDC y hay más de una decena en fase de planificación o construcción. China es pionero en esta tecnología por su facilidad para la financiación, véase el Gráfico 34. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 66 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Gráfico 33 Proyectos de redes HVDC construidos desde 1950 Fuente: Obtenido de (Sutton et al., 2017) Proyectos de redes construidos por períodos desde el 1950 hasta 2015 La transmisión en AC – corriente alterna, permite ventajas como el bajo coste de los transformadores y convertidores, así como su confiabilidad. Además, estos elementos otorgan flexibilidad al sistema permitiendo controlar mejor los voltajes. Por otra parte, el precio de la línea es mayor al estar formado por tres o más conductores en vez de dos como en el caso de las líneas DC. Debido a la enorme carga mecánica que debe soportar las torres AC, requiere que éstas sean mucho más altas y anchas que para transmitir corriente DC. Las líneas DC se caracterizan por tener menos pérdidas que las AC (no sufren el efecto corona, skin, radiación, inducción, etc). Por último, es importante destacar que las redes DC, al no estar determinadas por parámetros como la fase y la frecuencia, hacen mucho más fácil la interconexión entre los sistemas asíncronos y la red inteligente, permitiendo crear la red inteligente de forma mucho más sencilla. En conclusión, los sistemas DC poseen múltiples beneficios y son más eficientes económicamente en altas distancias (para alto voltaje), por lo que hoy en día son un complemento para las redes AC. En concreto, los DC de alto voltaje (HVDC) se emplean en la transmisión submarina porque son menos costosos que los cables AC submarinos. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 67 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Gráfico 34 Mapa de proyectos HVDC en el mundo Fuente: Obtenido de (European Commission. Joint Research Centre., 2017) Proyecto de redes HVDC en el mundo, predominantes en Asia, América del Norte y Europa En resumen, como se muestra en la Tabla 5, el transporte de la energía eléctrica se puede clasificar según el tipo de línea (aérea, subterránea o submarina) y para cada una, según el tipo de voltaje (alto, medio o bajo) y el tipo de corriente (alterna o continua). Tabla 5 Clasificación de los tipos de redes eléctricas Tipo de línea Tipo de voltaje kV Tipo de corriente Aérea Alto >=132 AC Medio 1-135 AC Bajo <1 AC Subterránea Alto >=132 AC Medio 1-135 AC Bajo <1 AC Aérea HVDC Alto >=132 DC Subterránea HVDC Alto >=132 DC Submarina HVDC Alto >=132 DC Fuente: Elaboración propia Tipos de redes según el medio de la línea (aéreo, subterráneo o submarino) y según el voltaje Para los elementos auxiliares se ha utilizado como referencia principal el estudio de (Deetman et al., 2021), el cual tiene en cuenta dos tecnologías: REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 68 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA ❖ Subestaciones: son instalaciones destinadas a transformar, convertir y controlar el sistema eléctrico de potencia. Existen distintos tipos de subestaciones en función de la forma de aislamiento – aislada por aire o por gas. En este trabajo no se diferenciará entre tipos de subestaciones. ❖ Transformadores: son elementos eléctricos que permiten aumentar o disminuir la tensión en los circuitos sin cambiar la potencia transmitida (Gráfico 35). Estos elementos auxiliares se clasifican en función del voltaje al que vayan destinados (alto, medio o bajo). Gráfico 35 Transformador eléctrico Fuente: Obtenido de https://jlp.mx/que-debo-saber-antes-de-comprar-un-transformador- electrico/ Imagen de un transformador eléctrico situado en un poste de una red eléctrica aérea 2.3.3. Estudios analizados sobre intensidades materiales Al analizar la literatura relacionada con las intensidades de material para las redes eléctricas, se ha visto cómo no existen demasiadas fuentes primarias completas, que incluyan datos de todos los tipos de líneas y voltaje que engloba la clasificación realizada para este trabajo. Además, muchas de estas fuentes consideran materiales muy desfasados. Esto es un factor que complica la búsqueda de intensidades materiales. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 69 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA La mayor parte de los estudios encontrados que reportan datos sobre las redes son LCA (Análisis de ciclo de vida) como se dijo en el capítulo anterior. En algunos casos (Bumby, 2010; Jones & McManus, 2010; Jorge & Hertwich, 2013; Turconi et al., 2014) sí que utilizan datos primarios, pero en otros no. En el segundo caso se limitan a reportar los km de línea y el número de elementos auxiliares que contiene la red evaluada en cuestión, usando los datos de intensidades materiales de otros autores (normalmente los de (Jorge et al., 2012a, 2012b)) para analizar el impacto aproximado de su red. Este es el caso de estudios como (Arvesen et al., 2015; Berrill et al., 2016; Deetman et al., 2021; Garcia et al., 2014). 2.3.4. Unidad funcional elegida La unidad funcional elegida para contabilizar los datos de materiales para cada tipo de línea ha sido: 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑘𝑚 𝑑𝑒 𝑙í𝑛𝑒𝑎 La elección se ha hecho teniendo en cuenta cómo se presentan los datos en la bibliografía, en la mayoría de casos en esta unidad (Bumby, 2010; Deetman et al., 2021; Jones & McManus, 2010; Turconi et al., 2014). En algún caso particular, la unidad funcional era diferente y ha sido necesario realizar una conversión, como por ejemplo en el estudio de (Blackett et al., 2008) donde los datos de kg de material se dan para cada torre (soporte aéreo) en vez de para cada km de línea. En este caso ha sido necesaria realizar lo siguiente (Ec. 2.4): 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒· 𝟏,𝟓𝟒𝟕𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑟𝑒 𝑘𝑚 𝑑𝑒 𝑙í𝑛𝑒𝑎 = [𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑘𝑚 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 ] (Ec. 2.4) El factor 1,547 ha sido obtenido a partir del estudio de (Harrison et al., 2010) en el que se reportan los kilómetros de línea de la red de Gran Bretaña para líneas de distintos voltajes (kV), así como las torres que hay en cada tipo de línea. Dividiendo el número de torres por km de línea se obtiene este número. Para los elementos auxiliares (subestaciones y transformadores), la unidad en la que aparece en la literatura siempre es kg de material por cada unidad. Por ello, es necesario aplicar otro ratio que convierta a kg de material por km de línea (Ec. 2.5): REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 70 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 · 𝒄𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑘𝑚 𝑑𝑒 𝑙í𝑛𝑒𝑎= [𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝑘𝑚 𝑑𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎 ] (Ec. 2.5) Para obtener esta constante, la cual será diferente para cada elemento (subestación o transformador) y para cada tipo de voltaje (alto, medio o bajo), se han tenido en cuenta el número de unidades de cada tipo por km de línea para distintas redes evaluadas (Tabla 6). En (Deetman et al., 2021) esta constante viene calculada directamente, mientras que en el resto han sido calculadas a partir de los datos que reporta cada estudio. En la Tabla 7 se muestra el coeficiente resultante final para corriente alterna de hacer la media entre los diferentes estudios con los parámetros estadísticos asociados (desviación estándar y coeficiente de variación). Tabla 6 Constantes para subestaciones y transformadores AC Voltaje Subestación Transformador Fuente Obtención Región Alto 0,0169 0,0532 (Deetman et al., 2021) Dado por el estudio Mundo 0,0179 0,0566 (Harrison et al., 2010) Calculado a partir de los datos que reporta cada estudio Gran Bretaña - 0,0982 (Garcia et al., 2014) Portugal 0,0092 - (Jorge & Hertwich, 2013) Noruega Medio 0,0850 0,1030 (Deetman et al., 2021) Dado por el estudio Mundo 0,0544 0,0748 (Harrison et al., 2010) Calculado a partir de los datos que reporta el estudio Gran Bretaña Bajo 1,107 1,107 (Deetman et al., 2021) Dado por el estudio Mundo Fuente: Elaboración propia Se muestran las constantes para el cálculo de unidades de elemento auxiliar por cada km de línea a partir de diferentes estudios y para distintas regiones REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 71 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Tabla 7 Constante final por elemento y tipo de voltaje para AC Voltaje Elemento Parámetro Alto Medio Bajo Subestación Media 0.015 0.07 1.107 Desv. Est. 0.005 0.025 Coef. Var. 32.57% 35.9% Transformador Media 0.069 0.089 1.107 Desv. Est. 0.022 0.02 Coef. Var. 31.18% 22.43% Fuente: Elaboración propia La constante se ha calculado a partir de la media entre los diferentes estudios para cada tipo de elemento. Se acompaña de otros parámetros estadísticos como la desviación estándar y el coeficiente de variación Para la corriente continua se ha utilizado directamente los datos que reporta (Berrill et al., 2016): • 0,0065 subestaciones/km • 0,0065 transformadores/km Es importante mencionar la unidad funcional de GW·km empleada en muchos estudios que generan un modelo utilizando el análisis de flujo de potencia (Berrill et al., 2016; Bussar et al., 2014; Thien et al., 2012) como se mencionó en capítulos anteriores. Esta unidad resulta de la multiplicación de los GW que posee una conexión entre dos puntos por los km que hay en esta conexión. Por ejemplo, si para unir un país con su vecino se crea una red de diez kilómetros con una potencia instalada de 600GW, los GW·km de esa conexión serán 6000. Sumando los GW·km de todas las redes existentes en una región, estos estudios obtienen los GW·km totales del sistema de transmisión y distribución. 2.3.5. Requerimientos materiales para la construcción de líneas aéreas AC Dentro de las líneas aéreas AC distinguimos entre tres tipos de voltaje: alto, medio o bajo. Para las líneas de alto voltaje aéreas, se han obtenido datos de (Jorge et al., 2012a) sobre las líneas de 400 kV y 150 kV. A partir del estudio de (Blackett et al., 2008), el cual realiza una comparación entre distintos tipos de torres, REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 72 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA aisladores y conductores, se ha construido dos configuraciones diferentes para líneas de 400 kV. De (Jorge & Hertwich, 2013) se han obtenido datos para el aluminio y hierro que contienen las líneas de 220, 300 y 420 kV. Para englobar los distintos tipos de líneas posibles en el alto voltaje, se ha elaborado una ponderación por nivel de voltaje a partir de los kilómetros de cada tipo de línea de cada tipo en una red de alto voltaje reportados por (Garcia et al., 2014; Harrison et al., 2010; Jorge & Hertwich, 2013) – Tabla 8. Tabla 8 Ponderaciones para líneas aéreas de alto voltaje Ponderación Voltaje (kV) (Garcia et al., 2014) (Harrison et al., 2010) (Jorge & Hertwich, 2013) <220 0.268 0.510 0.262 220-400 0.415 0.258 0.475 >=400 0.317 0.232 0.264 Región Portugal Gran Bretaña Noruega Fuente: Elaboración propia Porcentaje de líneas de cada tipo de voltaje dentro del alto voltaje (>132 kV) La forma de obtener los resultados finales para las líneas aéreas de alto voltaje ha sido realizar la media de estas tres ponderaciones para los materiales que reporta cada estudio. Para la obtención de los kg/km en las redes aéreas HV (de alto voltaje) para el hormigón, acero, vidrio, zinc y cemento se ha incluido además de la literatura mencionada, la red HVDC aérea considerada en (Jorge et al., 2012a). Se ha considerado la hipótesis de que los materiales para la línea HVDC existente en este estudio y una línea AC entre 220 y 440 kV tienen requerimientos similares para estos materiales. Esta consideración se ha tomado por la falta de datos en estos materiales para las líneas entre estos voltajes. Para las líneas aéreas de distribución de voltaje medio se han recogido datos de los estudios de (Bumby, 2010; Jones & McManus, 2010). Este último considera el cobre como material conductor. Sin embargo, hoy en día el aluminio es el metal usado para la transmisión aérea por su disponibilidad y características, y ha ido remplazando el cobre con los años. Por ello, el dato del cobre ha sido eliminado cambiándolo por el aluminio que reporta (Bumby, 2010) en sus conductores. El REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 73 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA resultado final es la media de ambos estudios para todos los materiales excepto para el cobre y el aluminio. Para las líneas de bajo voltaje tan solo se han encontrado datos en los estudios de (Turconi et al., 2014). Es importante mencionar que los datos obtenidos de Bronce y Latón se muestran directamente desagregados en sus componentes principales para todos los tipos de redes: ❖ Latón («Brass», 2021) formado por: o 54% de cobre o 45% de zinc o 1% de plomo Finalmente, los datos para las líneas de corriente alterna de alto, medio y bajo voltaje de tipo aéreas se muestran en la Tabla 9. Tabla 9 Materiales para las líneas aéreas AC por tipo de voltaje Material (kg/km) Tipo de voltaje Alto Medio Bajo Hormigón 212204 0 0 Acero 29563 793 177 Aluminio 10887 1876 531 Vidrio 987 0 0 Porcelana 0 90 0 Zn 820 0 0 Hierro 6243 0 0 Cemento 68 0 0 Polietileno 0 56,34 0 Fuente: Elaboración propia a partir de consideraciones utilizando los datos de (Arvesen et al., 2015; Blackett et al., 2008; Deetman et al., 2021; Garcia et al., 2014; Harrison et al., 2010; Jones & McManus, 2010; Jorge et al., 2012a; Jorge & Hertwich, 2013) Materiales para cada tipo de red aérea en función de su voltaje. Obtenido utilizando los datos de los autores citados a través de consideraciones propias mencionadas en el texto. Datos en kg/km REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 80 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Para las subestaciones también nos encontramos con tres tipos de voltaje. En las de alto voltaje ha sido necesario, como ocurría con los transformadores, tener en cuenta la consideración de (Berrill et al., 2016). En este estudio se supone que una subestación está formada por 10 equipos de conmutación con aislamiento de gas (GIS). Se ha tomado la media entre considerar 10 GIS de 300 kV de (Jorge et al., 2012b) y los datos de (Deetman et al., 2021). Para el medio voltaje y bajo voltaje se toman directamente los datos de (Deetman et al., 2021). Gráfico 38 Obtención de los materiales para las subestaciones de alto voltaje Fuente: Elaboración propia Para las subestaciones de alto voltaje existe una gran dispersión en los datos que hay en la literatura. Por ello, se ha empleado una media cuadrática o valor cuadrático medio entre los datos existentes (RMS). Según («Media cuadrática», 2020), la RMS es “una medida estadística de la magnitud de una cantidad variable”. Este estadístico se ha calculado utilizando la media entre los datos de (Harrison et al., 2010) para una subestación tipo GIS y otra AIS (aisladas con gas y con aire) de 275/400 kV cada una, y la media entre considerar que una subestación está formada por seis GIS de 300kV más sus elementos auxiliares y diez GIS de 420kV más sus elementos auxiliares (Deetman et al., 2021). Los REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 81 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA datos para esta última consideración se han obtenido de (Jorge et al., 2012b). Para entender mejor el proceso se detalla en el Gráfico 38. La RMS se calcula como se muestra en la ecuación 2.9, siendo n=2: √𝑥12+𝑥22+⋯+𝑥𝑛 2 𝑛 (Ec 2.9) Para las subestaciones de medio y bajo voltaje se han empleado directamente los datos de (Deetman et al., 2021), basados en los datos de (Harrison et al., 2010; Turconi et al., 2014). Los materiales necesarios para la construcción de los elementos auxiliares, independientemente del tipo de corriente del sistema eléctrico al que vayan conectados, se muestran en la Tabla 14. Tabla 14 Materiales para los elementos auxiliares Transformares Subestaciones Material (kg/unidad) Tipo de voltaje Tipo de voltaje Alto Medio Bajo Alto Medio Bajo Hormigón 648000 46826 176 175221 127021 476 Acero 101873 24848 480 7965 1815 38 Aluminio 911 77 85 43415 1228 1228 Vidrio 739 Porcelana 4873 152 1351 Zinc 14 5 Hierro 452 Cobre 72740 9205 13 5822 279 1 Aceite mineral 116000 12895 340 Madera 20000 467 3999 Plásticos 73 Pintura 2997 148 Resina 125 29 315 Fuente: Elaboración propia a partir de los datos obtenidos de (Deetman et al., 2021; Garcia et al., 2014; Jorge et al., 2012b; Jorge & Hertwich, 2013; Turconi et al., 2014) Datos en kg/unidad de elemento auxiliar REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 82 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA 2.4. Concepto de tasa de retorno energético En este apartado se explicará en profundidad el concepto de tasa de retorno energético, parámetro esencial para este trabajo. Es muy importante tener en consideración que las energías renovables, aunque brinden grandes beneficios como menor emisiones de CO2 en la atmósfera, tienen un rendimiento técnico menor en algunos casos que la energía que proviene de combustibles fósiles. Los combustibles fósiles están caracterizados por su alta densidad energética, fácil almacenaje, son inertes en condiciones ambientales, etc. En contraposición, las energías renovables requieren más uso de la tierra, se ven afectadas por la intermitencia de las condiciones atmosféricas, etc (I. Capellán-Pérez et al., 2019). Se define como tasa de retorno energético o EROI (energy returned on energy invested), a la relación entre la energía obtenida a partir de un proceso de liberación de energía y la energía requerida para obtenerlo a lo largo de su vida, ecuación 2.10: 𝐸𝑅𝑂𝐼= 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 (Ec 2.10) Por tanto, la energía neta quedaría de la siguiente forma, ecuación 2.11: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑛𝑒𝑡𝑎=𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑎· (1− 1 𝐸𝑅𝑂𝐼) (Ec 2.11) Se han definido categorías específicas de EROI según el punto en el que se evalúe (I. Capellán-Pérez et al., 2019): • EROIst (standard EROI): esta ratio incluye las necesidades energéticas para fabricar los productos que se utilizan en el emplazamiento (por ejemplo, la gasolina necesaria para transportar un aspa de una turbina eólica). También incluye las necesidades energéticas para obtener la energía (construcción, operación y mantenimiento de la central). Este cálculo del EROI se aplica al combustible en el punto en el que sale de la instalación. 𝐸𝑅𝑂𝐼𝑠𝑡= (1) (2)+(3) (Ec 2.12) REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 83 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA • EROIpou (Point of use EROI): incluye los costes energéticos para obtener y transportar el combustible hasta el momento de uso por la sociedad (por ejemplo, refinamiento y transporte). 𝐸𝑅𝑂𝐼𝑝𝑜𝑢= (1) (2)+(3)+(4) (Ec 2.13) • EROIext (Extended EROI): considera la energía requerida para obtener, entregar y utilizar una unidad de energía. Por ejemplo, se incluiría en esta ratio la energía requerida para producir una máquina que construye una planta generadora y los dispositivos utilizados para su operación y mantenimiento, así como la energía requerida para la exploración, inversión, comunicación y trabajo en el sistema energético. 𝐸𝑅𝑂𝐼𝑒𝑥𝑡= (1) (2)+(3)+(4)+(5) (Ec 2.14) Siendo (Gráfico 39): (1): Energía utilizada por la sociedad (2): Energía para construir, operar y mantener la planta de generación (3): Energía adicional para manejar la intermitencia de las VRES (4): Energía utilizada para la distribución de la energía (5): Energía para construir las máquinas e infraestructura (energía indirecta) Gráfico 39 Metabolismo energético de la sociedad Fuente: (I. Capellán-Pérez et al., 2019) Las flechas grises representan los flujos de energía útiles para la sociedad. La flecha negra es el flujo de materiales con alto potencial energético para ser transformado en energía útil. Las líneas punteadas representan las pérdidas de energía. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 84 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA El modelo elaborado permitirá la computación de la tasa EROIpou, en el punto de uso de los consumidores, puesto que engloba todo el proceso de construcción, uso y mantenimiento de la red de transporte eléctrico. 2.5. Modelado En este apartado se tratarán todos los aspectos que engloban al modelado. En primer lugar, se realiza un diagrama de influencias para representar la dinámica que seguirá el sistema, identificando las principales variables y vectores que intervienen en él. A continuación, se presentarán los datos introducidos en el modelo y principales hipótesis consideradas. Finalmente, se describirán los escenarios utilizados en la simulación. 2.5.1. Diagrama de influencias La dinámica que seguirá el sistema es la siguiente: en función de los diferentes escenarios para cada factor considerado, llegarán unas nuevas redes cada año. Cuando llega una red adicional pasará a estar en fase de construcción durante el tiempo de construcción. Por el hecho de entrar en esta fase se produce una necesidad de material para la construcción y unos costes. Cuando supere la fase de construcción la red comenzará su fase de uso, la cual durará hasta su tiempo máximo de vida. Cada año que está en uso produce una necesidad de material para su mantenimiento y unos costes. También se cuantificarán unas pérdidas de potencia que dependen de la eficiencia de la red y del factor de capacidad de esta. Las pérdidas de potencia afectarán al abastecimiento de electricidad requerido. Cuando finalice su tiempo de vida, la red se eliminará. A partir de las redes en construcción, uso y fin de vida se obtiene el PEnU para las redes y con esta variable se determinará el EROIpou. A continuación, se muestra el diagrama de influencias elaborado como base para el modelado del sistema, Gráfico 40. Como se puede apreciar en el mismo, el modelo elaborado conectará con los diferentes módulos de MEDEAS-W: Economía, energía y materiales. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 85 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Gráfico 40 Diagrama de influencias Fuente: Elaboración propia a partir del software ‘VenSim DSS’. Diagrama causal que seguirá el modelo que representa el sistema de transporte eléctrico. Se han considerado cuatro vectores para facilitar el modelado y simplificarlo de forma visual. Estos son t, j, h y m (Tabla 15): • t: tipo de red AC o HVAC, MVAC y LVAC aérea o HVAC, MVAC y LVAC subterránea o HVDC aérea, subterránea y submarina • j: tipo de elemento auxiliar o HV, MV, LV subestación REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 86 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA o HV, MV, LV subestación • h: tipo de red DC o HVDC aérea o HVDC subterránea o HVDC submarina • m: tipo de material o Cobre o Aluminio o Acero o … Tabla 15 Vectores del modelo t: tipo de red AC j: tipo de elemento auxiliar h: tipo de red DC HVAC aérea HV Transformador HVDC aérea MVAC aérea MV Transformador LVAC aérea LV Transformador HVDC subterránea HVAC subterránea HV Subestación MVAC subterránea MV Subestación HVDC submarina LVAC subterránea LV Subestación Fuente: Elaboración propia 2.5.2. Parámetros exógenos del modelo En el modelo es necesario incluir parámetros que vendrán dados de forma exógena. Las propias variables en Vensim recogen de una hoja de datos vinculada con este programa los parámetros necesarios en cada caso. Cómo se han obtenido estos datos en detalle (hipótesis consideradas y cálculos intermedios) se detalla en el apartado 2.3 para el caso de los materiales, 2.4 para los tiempos de construcción y de vida, y 2.6 para los costes. En esta parte de la memoria se muestran únicamente las tablas y los parámetros introducidos de forma para no repetir la misma información. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 87 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA a) Parámetros de intensidades materiales para el vector de redes eléctricas Las variables que requieren los materiales necesarios para la construcción de la red de corriente alterna estarán vinculadas a los datos de la Tabla 16. Tabla 16 Materiales para la construcción de redes de corriente alterna kg/km Redes aéreas de corriente alterna Redes subterráneas de corriente alterna HV MV LV HV MV LV Hormigó n 212204 0 0 35000 72250 0 Acero 29563 793 177 3400 Aluminio 10887 1876 531 964 981 Vidrio 987 Cerámic a 90 Zn 820 Hierro 6243 Cemento 68 Cobre 11650 667 PE* 56,33712 3600 439 222 Asfalto 75700 Madera 4490,71 Estaño 384 Plástico 165,42 1900 1013,25 156 Fuente: Elaboración propia a partir del tratamiento de los datos reportados por (Arvesen et al., 2015; Blackett et al., 2008; Bumby, 2010; Deetman et al., 2021; Garcia et al., 2014; Harrison et al., 2010; Jones & McManus, 2010; Jorge et al., 2012a; Jorge & Hertwich, 2013; Turconi et al., 2014). *PE = Polietileno. En la Tabla 17 se muestran los materiales necesarios para la construcción de las redes de corriente continua de alto voltaje. Los materiales para el mantenimiento de redes eléctricas que se introducen en el modelo se mostraron en el apartado 2.3.8. En la Tabla 18 se presentan los datos en kilos por unidad de elemento auxiliar, ya que el modelo se encargará de transformarlo en kg/km a partir de las ratios elaboradas para la conversión (Tabla 19). REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 88 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Tabla 17 Materiales para la construcción de redes de corriente continua kg/km Redes de alto voltaje de corriente continua (HVDC) Aérea Subterránea Submarina Hormigón 202000 Acero 21264 3400 12800 Aluminio 8238 Vidrio 1380 Zn 520 1440 Hierro 10500 Cemento 65 Cobre 14700 11416 Aceite mineral 4000 Polietileno 3600 Pb 13900 Estaño 384 Plástico 1900 Papel 3800 Fuente: Elaboración propia a partir de los datos reportados por (Jorge et al., 2012a) Tabla 18 Materiales para la construcción de elementos auxiliares kg/unit Elementos auxiliares Transf HV Transf MV Transf LV Subst HV Subst MV Subst LV Hormigón 648000 46826,0 0 176 175221,0 6 127021 476 Acero 101872,6 7 24848,0 7 480 7965,36 1815 38 Aluminio 910,83 77,17 85 43415,45 1228 1228 Vidrio 739,33 0,04 Cerámica 4872,67 152,07 1351,00 Zn 13,68 5,32 Hierro 451,84 Cobre 72739,5 9204,77 13 5822,11 279,20 1 Aceite mineral 116000 12895,3 4 340 0,49 Madera 20000 3998,69 Plástico 72,78 Pintura 2996,67 147,94 Resina 314,67 Fuente: Elaboración propia a partir de los datos de (Garcia et al., 2014; Harrison et al., 2010; Jorge et al., 2012b; Turconi et al., 2014) REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 89 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Tabla 19 Conversión a kg/km Unit/km HVAC HVDC MVAC LVAC Subestación 0,015 0,0065 0,07 1,107 Transformador 0,069 0,0065 0,02 1,107 Fuente: Elaboración propia a partir de los cálculos realizados con los datos proporcionados por (Deetman et al., 2021; Garcia et al., 2014; Harrison et al., 2010; Jorge & Hertwich, 2013) b) Tiempos, costes y duración de los elementos de la red El tiempo de construcción de las redes es un parámetro complicado de obtener ya que no solo depende del tiempo que tarda un operario en la construcción de los distintos elementos de la red (la torre, los conductores, etc), sino también el tiempo que se tarda en llevar a cabo la planificación del proyecto, los trámites administrativos, permisos de construcción, etc. Por simplificación, se considera que el tiempo en construir una red una vez que se ha planificado su construcción es de un año. El tiempo de construcción de los elementos auxiliares se considera (Darden Lee, 2009) de un año por unidad para un transformador y de un año y medio por unidad para una subestación. La duración de las redes eléctricas también es algo difícil de estimar con pulcritud, ya que hay líneas que han llegado a funcionar correctamente hasta los 100 años incluso en EEUU gracias al mantenimiento. Por similitud con el resto de modelos, se ha elegido un tiempo de vida de 40 años para todas las redes y un tiempo de vida de 30 años para todos los elementos auxiliares (Bussar et al., 2014; Deetman et al., 2021). Al igual que para el tiempo de construcción, estimar los costes de la red eléctrica es una ardua tarea puesto que cada proyecto de red difiere mucho del resto. Construir una red eléctrica depende de la situación geográfica y del terreno en el que se vaya a situar, la política del país, la propia configuración de la red, el número de circuitos, etc. La estimación de los costes para las líneas de transmisión se suele dividir en cuatro partes (MISO, 2019): A. Terreno y derechos de paso B. Estructuras y cimientos C. Conductores y protecciones D. Servicios profesionales REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 96 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA afectan a la red, obteniendo qué parámetros y de qué forma afecta a la expansión de la red. Para ello es necesario tener a disposición datos de todas las redes del mundo a lo largo del año, el almacenamiento energético llevado a cabo en cada momento, el factor de capacidad, energía no suministrada, etc. Esta información es muy complicada de obtener ya que en muchos países la información sobre la red ni si quiera es pública. En (Arderne et al., 2020) se elabora un mapa predictivo de las redes eléctricas en el mundo, pero resulta insuficiente para poder llevar a cabo una regresión robusta. La solución a estos problemas ha sido elaborar distintos casos posibles para modelar el cambio en las redes futuras, tanto para las redes de corriente alterna como de continua. En cada uno de ellos se explorarán diferentes posibilidades y se analizará la influencia en los resultados obtenidos. Se han considerado tres posibles casos para la estimación de los futuros kilómetros de red eléctrica de las redes de corriente alterna, y otros tres casos diferentes para la estimación de las redes de corriente continua. Gráfico 43 Modelado de las redes de corriente alterna Fuente: Elaboración propia mediante el software Vensim Distintos casos considerados para la modelización de las redes de corriente continua. Elección mediante la variable ‘SWITCH_TYPE_OF_GROWTH_OF_AC_GRIDS’ REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 97 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Ya que el dato inicial de redes reportado por (Deetman et al., 2021) tiene en cuenta el total de redes existentes en el mundo sin diferenciar entre corriente continua y alterna, las redes del tipo HVDC que se consideren en el modelo se restarán del total. De esta forma se evita una doble contabilidad de las líneas de corriente continua. En el Gráfico 43 se observa el diagrama que une todas las variables relacionadas con la estimación de la red de corriente alterna. A través de la variable SWITCH_TYPE_OF_GROWTH_OF_AC_GRIDS se puede elegir el tipo de crecimiento de las redes: • Opción 1 Crecimiento basado en factor escala • Opción 2: Crecimiento basado en factor escala teniendo en cuenta la variabilidad de las energías renovables • Opción 3: Crecimiento basado en factor escala teniendo en cuenta la variabilidad de las energías renovables y la descentralización de la producción Una vez seleccionado el tipo de crecimiento se obtendrá, mediante distintas formas que se detallan a continuación, las redes de alto voltaje de corriente continua. A través de los parámetros RATIO_HV_TO_MV_GRID y RATIO_HV_TO_LV_GRID, se extrapolan las redes de alto voltaje a las de medio y bajo voltaje para obtener el total de redes. Además, el usuario habrá elegido que tipo de porcentaje de redes serán subterráneas para un año objetivo, o si por el contrario, para las redes de medio y bajo voltaje, querrá que se estime según las ecuaciones propuestas en (Deetman et al., 2021). De esta forma se obtendrán las redes de corriente alterna para sus distintos voltajes y tipos (subterránea y aérea). Las nuevas redes en el modelo se estimarán como la diferencia entre las requeridas y las existentes, tanto para las redes de corriente alterna como las de continua: 𝑁𝑒𝑤 𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑(𝑡)=𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑(𝑡)− 𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙𝑒𝑑 (Ec 2.19) En el modelo, las nuevas redes (new_AC_grids/new_HVDC_grids) se obtienen restando las redes que llegan al flujo de las redes que están en uso grids_in_use_phase_AC/grids_in_use_phase_HVDC. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 98 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Opción 1: Crecimiento basado en factor escala: Siguiendo el argumento de (Deetman et al., 2021), la red aumentará según crezca la capacidad total instalada de energía, de la forma: 𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑(𝑡)=𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑(𝑡0)∙𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝(𝑡) 𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝(𝑡0) (Ec 2.20) Siendo t0 el año base de referencia con datos históricos. La red de corriente continua de alto voltaje (HVGrid(t)) se representa mediante la variable total_grid_required_hvac. La suma de la capacidad instalada total de generación eléctrica se obtiene mediante la suma de los distintos tipos de tecnologías (installed_capacity) para nuclear, combustibles fósiles y energías renovables. Se trataría de dividir la capacidad total instalada cada año de simulación con respecto a la capacidad instalada en el primer año (1995). Para realizar la estimación de las nuevas redes de alto voltaje que se necesitan construir cada año, se tiene en cuenta diferentes variables que vienen del módulo energético de MEDEAS-W 2.0: • Total installed capacity: esta variable ha sido creada en este modelo a partir de otras variables existentes en MEDEAS para recoger el total de capacidades instaladas de todo tipo de centrales eléctricas, tanto de renovable, de la quema de combustibles fósiles como de nuclear, Gráfico 44. Gráfico 44 Cálculo de la capacidad total instalada eléctrica Fuente: Elaboración propia Cálculo de la capacidad total instalada como la suma de la capacidad instalada de energías renovables, centrales nucleares y combustibles fósiles. Siempre en términos de centrales eléctricas. Capacidad instalada de energías renovables Capacidad instalada de centrales nucleares Capacidad instalada de combustibles fósiles Capacidad total instalada REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 99 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA o Installed capacity RES elec TW: esta variable, modelada en MEDEAS- W 2.0 representa la capacidad total instalada de centrales eléctricas de tipo renovable, englobando todos los tipos de energía renovable, Gráfico 45. Gráfico 45 Capacidad instalada de centrales eléctricas renovables Fuente: Elaboración propia Gráfico que muestra los tipos de centrales eléctricas que engloba la variable ‘installed capacity RES elec TW’ llamada en MEDEAS-W 2.0. o Installed capacity nuclear TW: variable presente en MEDEAS-W 2.0 que recoge la capacidad total instalada de centrales nucleares en el modelo. o Installed capacity fossil fuels TW: esta variable, la cual recoge la capacidad instalada de centrales eléctricas de combustibles fósiles, no existe en el modelo de MEDEAS, por lo que se ha obtenido a partir del factor de capacidad para estas centrales de la siguiente forma, ecuación 2.21: 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑙𝑒𝑑 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑦 𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙 𝑓𝑢𝑒𝑙𝑠 𝑇𝑊 =𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑 𝐸𝑙𝑒𝑐 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑠 𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙 𝑓𝑢𝑒𝑙𝑠 𝑇𝑊ℎ 𝐶𝐹 𝑓𝑜𝑠𝑠𝑖𝑙 𝑓𝑢𝑒𝑙𝑠 · ′𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 𝑎 𝑇𝑊′ (Ec 2.21) REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 100 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA ▪ Demand elec plants fossil fuels : esta variable está creada en MEDEAS y representa la electricidad generada (en TWh) por las centrales eléctricas de combustibles fósiles. ▪ CF fossil fuels: variable creada para realizar la conversión de electricidad generada a capacidad instalada. Se define como (ecuación 2.22): 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑= 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 (Ec 2.22) Gráfico 46 Factor de capacidad para las centrales eléctricas de combustibles fósiles Fuente: Elaboración propia a partir de los datos de capacidad y generación para diferentes regiones del mundo EIA https://www.eia.gov/international/data/world. Los datos de generación para EU27 y UK han sido obtenidos de JRC-IDEES https://data.jrc.ec.europa.eu/collection/id-0110 Gráfico que muestra los factores de capacidad para diferentes regiones del mundo. Se han calculado dividiendo la generación por la capacidad de cada región. Se puede asumir un factor de capacidad constante para el mundo de 45% según este gráfico. Dado que esta variable no existe en el modelo MEDEAS, es necesario obtenerla a partir de datos históricos. En el Gráfico 46 se muestran los diferentes factores de capacidad para distintas regiones de todo el mundo. La media de todos ellos o lo que es lo mismo, el factor de capacidad medio para el mundo, se puede considerar en un 45%. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 101 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA ▪ ‘Conversión a TW’: Dado que la parte de la derecha de la ecuación 2.15 vendría dada en TWh, es necesario realizar una conversión a TW. Para ello, se multiplica la ecuación por 1/8760 (Las horas que tiene un año). Como se detalló en el apartado 1.4, seguir este escenario podría resultar insuficiente al no contabilizar la variabilidad de las energías solar y eólica, así como el impacto de la descentralización. Opción 2: Crecimiento basado en factor escala teniendo en cuenta la variabilidad de las energías renovables: En este escenario se tiene en cuenta que las energías renovables variables (solar y eólica) tienen un menor uso en horas medio de cada planta. La penetración de este tipo de energías contribuye a reducir el factor de capacidad del sistema. 𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑(𝑡)=𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑(𝑡0)∙𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝(𝑡) 𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝(𝑡0)∙𝐶𝐹𝑡0 𝑠𝑦𝑠𝑡 𝐶𝐹𝑠𝑦𝑠𝑡(𝑡) (Ec 2.23) El factor de capacidad del sistema CF_total se calcula dividiendo la suma de la generación en TWh para cada tipo de planta entre la suma de la capacidad instalada total. A medida que el total de la capacidad instalada esté formada por energías renovables, la cantidad de energía generada en TWh disminuirá respecto a la instalada y por eso el factor de capacidad disminuirá con la penetración de las energías renovables variables. En el artículo de (Deetman et al., 2021) se propone una ecuación similar en su análisis de sensibilidad, aplicando un coeficiente de reducción a la capacidad instalada de energía no variable y de aumento a la variable. 𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑𝑟𝑒𝑔,=𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑𝑟𝑒𝑔,2050 ∙(𝟐∙ 𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝𝑉𝑅𝐸𝑆𝑟𝑒𝑔,𝑦𝑟 𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝𝑉𝑅𝐸𝑆𝑟𝑒𝑔,2050+𝟎.𝟑∙ 𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝𝐷𝑖𝑠𝑝𝑎𝑡𝑐ℎ𝑟𝑒𝑔,𝑦𝑟 𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝𝐷𝑖𝑠𝑝𝑎𝑡𝑐ℎ𝑟𝑒𝑔,2050) (Ec 2.24) Opción 3. Crecimiento basado en factor escala teniendo en cuenta la variabilidad de las energías renovables y la descentralización de la producción: En este caso se tiene en cuenta que a más producción descentralizada en los puntos de consumo se necesitarán menos redes (Bauknecht et al., 2020). Para ello se REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 102 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA añade un factor %desc que es la producción de electricidad de fotovoltaica en zonas urbanas. 𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑(𝑡)=𝐻𝑉𝐺𝑟𝑖𝑑(𝑡0)∙𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝(𝑡) 𝐺𝑒𝑛𝐶𝑎𝑝(𝑡0)∙𝐶𝐹𝑡0 𝑠𝑦𝑠𝑡 𝐶𝐹𝑠𝑦𝑠𝑡(𝑡)·(1−%𝑑𝑒𝑠𝑐(𝑡)) (Ec 2.25) El parámetro (%desc) se refleja en el modelo como share_PV_urban_vs_ total_electricity a partir de la proporción entre generación de energía solar PV en zonas urbanas (Available_generation_RES_elec_TWh_solar_PV · real_share_PV_ urban_vs_ total_PV) entre la generación total de energía eléctrica Total_FE_Elec_ generation_TWh. Se considera que las redes de medio y bajo voltaje no sufren ninguna alteración por la descentralización, ya que para el autoconsumo de los hogares se emplearían las redes de distribución existentes hasta el momento. No se necesitaría un aumento de las redes de bajo voltaje por el hecho de que un hogar se auto suministre energía, ya que la propia red que llega es suficiente siempre y cuando no se superen los 10kV. Como factor colateral y por simplicidad, las pérdidas se reducen en la red con la misma proporción. Para el modelado de las redes de corriente continua (Gráfico 47), se proponen otras tres opciones que se elegirán a través de la variable SWITCH_TYPE_OF_GROWTH_OF_HVDC_GRIDS: • Opción 1: Crecimiento basado en el aumento de la capacidad instalada de fuentes de energías renovables • Opción 2: Crecimiento basado en objetivos de capacidad importada • Opción 3: Crecimiento basado en proyección histórica El usuario elegirá mediante la variable T_ini_change_in_growth_of_HVDC_grids el año en que se implementará la opción elegida. Antes de ese año elegido, por defecto se implementará la opción 3– crecimiento basado en proyección histórica. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 103 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Gráfico 47 Modelado de los kilómetros de red de corriente continua Fuente: Elaboración propia utilizando el software Vensim Mediante SWITCH_TYPE_OF_GROWTH_OF_HVDC_GRIDS se elegirá el tipo de crecimiento en las redes de corriente continua. Opción 1: Crecimiento basado en el aumento de la capacidad instalada de fuentes de energías renovables: En MEDEAS las redes HVDC internacionales estaban ya estimadas a partir del estudio de (García-Olivares et al., 2012, p.), por lo que se incluye en el trabajo a fin de evitar una doble contabilidad. Se reporta: • 0,82 metros de HVDC submarina por cada MW de VRES instalada • 2,9 metros de HVDC aérea por cada MW de VRES instalada REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 104 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Esta estimación podría ampliarse en futuras líneas del trabajo con datos para más países y una actualización con los proyectos realizados desde el 2012 hasta ahora, teniendo en cuenta además cómo se encuentra el estado del arte en la planificación de los proyectos futuros. En (ENTSO-E, s. f.) se reporta que un 75% de los proyectos futuros de redes HVDC en Europa serán submarinos. Opción 2: Crecimiento basado en objetivos de capacidad importada: dado que las redes de corriente continua internacionales se emplean para facilitar el intercambio de energía entre los distintos países, en este caso se asume que se requerirán tantas redes como energía importada entre países haya. En (European Commision, 2016) por ejemplo, se propone para el 2030 importar una capacidad del 15% del total en Europa. En este caso se dará al usuario la opción de elegir: • T_INI_IMPORTED_CAPACITY: Año inicial en el que se comienza a importar la energía elegida por el usuario • SHARE_IMPORTED_CAPACITY_INITIAL_GW: Proporción de capacidad importada del total en el año inicial • T_FIN_IMPORTED_CAPACITY: Año final (objeto) en el que se llega a la proporción deseada. • SHARE_IMPORTED_CAPACITY_DEFINED_GW: Proporción objetivo de capacidad importada entre países para el año final. Al igual que ocurría en la proporción de redes subterráneas, se modela como un crecimiento lineal hasta llegar al objetivo y a partir de entonces se mantendrá en esa proporción. La capacidad total importada para cada año se calcula como: 𝐶𝑎𝑝 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑎· 𝑐𝑎𝑝 𝑒𝑙𝑒𝑐 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙𝑎𝑑𝑎 (Ec 2.26) Una vez obtenida la capacidad total importada en gigavatios, es necesario traducirlo a kilómetros de redes HVDC de cada tipo. Para ello, se ha elaborado una proporción de km/GW a partir del estudio de (Alassi et al., 2019) que será el objetivo de km/GW que alcancen en 2050 las redes HVDC. Comenzará con los km/GW reportados según el período histórico hasta llegar a los km/GW objetivo de forma lineal. En el Gráfico 48 se muestra la longitud media de cada tipo de línea HVDC y los MW de capacidad para cada una. A partir de estos datos se obtienen las diferentes proporciones de km/GW: REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 105 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA 1023 𝑘𝑚 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑 𝑎é𝑟𝑒𝑎 3430 𝑀𝑊 ·1000 𝑀𝑊 1 𝐺𝑊 =298,25𝑘𝑚 𝐺𝑊𝑑𝑒 𝐻𝑉𝐷𝐶 𝑎é𝑟𝑒𝑎 143 𝑘𝑚 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑 𝑠𝑢𝑏𝑡𝑒𝑟𝑟á𝑛𝑒𝑎 980 𝑀𝑊 ·1000 𝑀𝑊 1 𝐺𝑊 =145,91𝑘𝑚 𝐺𝑊𝑑𝑒 𝐻𝑉𝐷𝐶 𝑠𝑢𝑏𝑡𝑒𝑟𝑟á𝑛𝑒𝑎 240 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑 𝑠𝑢𝑏𝑚𝑎𝑟𝑖𝑛𝑎 710 𝑀𝑊 ·1000 𝑀𝑊 1 𝐺𝑊 =338,028𝑘𝑚 𝐺𝑊𝑑𝑒 𝐻𝑉𝐷𝐶 𝑠𝑢𝑏𝑚𝑎𝑟𝑖𝑛𝑎 (Ec 2.27, 2.28 y 2.29) Multiplicando los km/GW por los GW de capacidad importada, se obtienen las redes HVDC de cada tipo en cada año consecutivo. Gráfico 48 Longitud y capacidad de los distintos tipos de red HVDC Fuente: Obtenido de (Alassi et al., 2019) Longitud media, voltaje y MW para cada tipo de red (aérea, subterránea y submarina) HVDC Opción 3: Crecimiento basado en proyección histórica: se han utilizado todos los datos disponibles de proyectos de redes HDVC en el mundo. Es importante recalcar la limitación en esta recogida de datos, puesto que no todos son públicos. En (Wikipedia, 2021c) se reporta una lista de proyectos para HVDC en el mundo existentes, en construcción y planeados. En (Balloch, 2019) se muestran proyectos HVDC con infraestructura submarina. Con objeto de identificar la tendencia de las redes de corriente continua, se han recopilado estos datos y obtenido los kilómetros acumulados de red a lo largo de los años. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 112 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA La regresión, como se puede apreciar en el Gráfico 56, tiende a subestimar el curtailment para niveles bajos y a sobreestimarlo para niveles altos, pero sí es lo suficientemente aceptable como para considerarla en el modelo. Se observa que el modelo puede predecir un share_curtailment <0, lo que no tendría sentido en el sistema. Para evitar esto, se modela evitando los valores negativos introduciendo la función MAX (0; share_curtailment). Regresión 2: 𝑠ℎ𝑎𝑟𝑒𝑐𝑢𝑟𝑡𝑎𝑖𝑙𝑚𝑒𝑛𝑡 = 0.0179049896652257 + 2.11911149377257 · 𝑠ℎ𝑎𝑟𝑒𝑉𝑅𝐸𝑆𝑐𝑎𝑝 12.4641538418291 + (−19.2048207003281)· 𝑠ℎ𝑎𝑟𝑒𝑠𝑡𝑜𝑟𝑐𝑎𝑝 · 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑎𝑠𝑒_𝑔𝑟𝑖𝑑 (Ec 2.33) En esta regresión se ha hecho a la “inversa”, en función de la matriz de datos obtenidos, calibrando hasta ajustar lo más posible a la regresión. Se ha realizado a través de Matlab. Tabla 23 Estimadores regresión 2 share curtailment Fuente: Elaboración por Gonzalo Parrado (investigador en GEEDS) en el software Matlab El p-valor de todas las variables es menor a 0,1 por lo que se acepta la relación entre todas para un nivel de significancia del 90%. En la Tabla 23 y Gráfico 57 se pueden ver tanto los estimadores de la regresión como el gráfico de probabilidad para la distribución normal. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 113 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Gráfico 57 Resultado de la regresión 2 Fuente: Elaboración por Gonzalo Parrado (investigador en GEEDS) en el software Matlab Esta regresión, aun siendo significativa, podría perder conceptualmente el sentido dado que el aumento de las redes y la proporción de almacenaje energético se multiplican entre sí. Esto podría causar que, pese a no utilizar ninguna red, la proporción de curtailment se mantuviese si hubiese aumentado en gran cantidad el almacenaje. Por ello, se ha recurrido a realizar una tercera regresión en la que no se multipliquen estos términos. Regresión 3: 𝑠ℎ𝑎𝑟𝑒𝑐𝑢𝑟𝑡𝑎𝑖𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 = 0.0326313182320072 + 2.04712033458315 · 𝑠ℎ𝑎𝑟𝑒𝑉𝑅𝐸𝑆𝑐𝑎𝑝 13.1221519626621 + (−0.376533866610056) · (𝑠ℎ𝑎𝑟𝑒_𝑠𝑡𝑜𝑟_𝑐𝑎𝑝 + 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑒𝑎𝑠𝑒_𝑔𝑟𝑖𝑑) (Ec 2.34) Los estimadores y el gráfico de probabilidad se pueden observar en la Tabla 24 y Gráfico 58. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 114 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Tabla 24 Estimadores regresión 3 share curtailment Fuente: Elaboración por Gonzalo Parrado (investigador en GEEDS) en el software Matlab El p-valor de todas las variables es menor a 0,05 por lo que se acepta la relación entre todas para un nivel de significancia del 95%. Gráfico 58 Resultado de la regresión 3 Fuente: Elaboración por Gonzalo Parrado (investigador en GEEDS) en el software Matlab Finalmente, la regresión introducida en el modelo para calcular el factor de capacidad a partir del curtailment que se probará en las posteriores simulaciones ha sido la última realizada (Regresión 3). La variable obtenida 1- share curtailment sustituirá la ecuación existente en las variables de MEDEAS-W REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 115 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Ratio CF variation RES intermittency RES elec dispatch y Ratio CF variation RES intermittency RES elec var. Se realizará a partir de un if then else para que el usuario pueda elegir en qué momento cambiar la forma de modelar el factor de capacidad. h) Modelización de la dinámica futura de los materiales Como se detalló en el apartado 2.3.6. donde se expusieron los requerimientos materiales para las líneas subterráneas, los datos extraídos de la literatura proponen el cobre como conductor. Sin embargo, se prevé su sustitución por conductores de aluminio, igual que para las redes aéreas en el pasado (IEA, 2021; Management, 2012). Esto se debe a las ventajas que supone el aluminio frente al cobre y a su mayor disponibilidad en el planeta. La resistencia de un conductor es 𝑅=𝜌·𝑙𝑠. Si se busca que dos conductores (de cobre y aluminio) sean equivalentes eléctricamente, la relación entre sus resistividades debe ser 𝜌𝐶𝑢 𝜌𝐴𝑙 =1/56 1/35 y sus secciones deben cumplir 𝑆𝐶𝑢 𝑆𝐴𝑙 =35 56. Esto viene a decir que un conductor de aluminio de 150 mm2 es equivalente eléctricamente a uno de 95 mm2 de cobre. Si la densidad del cobre es 8,95 (gr/ mm3) y la del aluminio 2,70 (gr/ mm3), el peso de estos dos conductores por unidad de longitud será igual al producto de su volumen por su densidad: 𝑃𝐶𝑢 𝑃𝐴𝑙 =𝑉𝐶𝑢·𝑑𝐶𝑢 𝑉𝐴𝑙·𝑑𝐴𝑙 =𝑠𝐶𝑢·1𝑑𝐶𝑢 𝑠𝐴𝑙·1𝑑𝐴𝑙 =35 36·𝑠𝐴𝑙·8,95 2,70·𝑑𝐴𝑙 𝑠𝐴𝑙·𝑑𝐴𝑙 =313,25 151,20≈2 (Ec. 2.35) Se puede considerar que el peso de un conductor de aluminio equivalente eléctricamente a un conductor de cobre es aproximadamente la mitad. El cociente entre la sección equivalente (misma resistencia eléctrica) de un conductor de aluminio y uno de cobre es 1,6 y por tanto la relación entre sus radios es √1,6 (1,2649). En (Anixter, s. f.) se concluye lo mismo: para una misma aplicación, se necesita un conductor de aluminio que con un peso de la mitad que el conductor de cobre, pero con una sección de 1,26 veces la del cobre para garantizar la misma conductividad eléctrica. Se ha elaborado un escenario que permite la sustitución de los conductores de cobre por los de aluminio para los tres niveles de redes subterráneas (alto, medio REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 116 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA y bajo voltaje) tanto en redes de corriente continua como alterna, para evaluar cómo podría afectar este cambio al sistema en términos de materiales y energía. • Escenario cobre (esc. Cobre): escenario de partida, en el que se utiliza el cobre como conductor. • Escenario aluminio (esc. Aluminio): escenario en el que se modificaría el conductor de cobre por el de aluminio en las redes subterráneas de corriente continua y alterna y en las redes submarinas de corriente alterna. Para evaluar de qué forma cambian los materiales al modificar el tipo de conductor, se deconstruye un cable para ir computando parte por parte las relaciones entre dos cables equivalentes eléctricamente, pero con un distinto conductor. Fuente: Obtenido del catálogo de (GeneralCable, s. f.) Partes de un cable subterráneo: 1. Conductor, 2. Semiconductor interior, 3. Aislamiento, 4. Semiconductor exterior, 5. Pantalla de cobre, 6. Cubierta. En el Gráfico 59 se observan las 6 partes de las que está formado un cable, comparando la diferencia entre los materiales que posee un cable de 95 mm2 de sección de cobre y otro de 150 mm2 de sección de aluminio de 16/20kV ambos, obtenidos del catálogo de (Prysmian, 2013), para evaluar sus diferencias: Gráfico 59 Partes de un cable subterráneo REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 117 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA 1. Conductor: como se venía diciendo, para conseguir la equivalencia eléctrica es necesario una sección mayor para el conductor de aluminio respecto de cobre, pero éste pesa la mitad, por lo tanto, el conductor de aluminio pesará la mitad que la del de cobre, y el peso del conductor de cobre se reducirá a cero. 2. Semiconductor interior: se considera despreciable respecto al resto, ya que es una finísima capa de un semiconductor reticulado que sirve para unificar el campo electromagnético. 3. Aislamiento: se fabrica de polietileno (XLPE). Se considera que la cantidad de polietileno necesario para recubrir dos cables equivalentes eléctricamente de cobre y aluminio solo difiere en 0,1mm (Prysmian, 2013). Según las ec 2.36 y 2.37, se obtiene que el peso del polietileno (XLPE) para un conductor de cobre es 0,954 veces el del polietileno para el conductor de aluminio equivalente. 𝑒𝑋𝐿𝑃𝐸𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑋𝐿𝑃𝐸𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜=0,976 𝑃𝑋𝐿𝑃𝐸𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑃𝑋𝐿𝑃𝐸𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜=𝜌𝑋𝐿𝑃𝐸·𝜋·𝑒𝑋𝐿𝑃𝐸𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒2 𝜌𝑋𝐿𝑃𝐸·𝜋·𝑒𝑋𝐿𝑃𝐸𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜2 =(𝑒𝑋𝐿𝑃𝐸𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜·0,976)2 𝑒𝑋𝐿𝑃𝐸𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜2=0,954 Siendo 𝜌𝑋𝐿𝑃𝐸 la densidad del polietileno. (Ec 2.36 y 2.37) 4. Semiconductor exterior: Al igual que para el semiconductor interior, se considera despreciable. 5. Pantalla: En el catálogo (Prysmian, 2013), ambos cables se reportan con la misma sección de pantalla. Esta pantalla está formada por hilos de cobre. En los dos conductores que se están comparando, esta pantalla tiene una sección total de 16mm2 formada por 20 hilos de cobre. Por tanto, la cantidad de cobre necesaria para fabricar las pantallas se mantendrá en ambos escenarios. El peso del cobre necesario para la pantalla respecto al peso total de cobre necesario para la fabricación del cable (conductor + pantalla) es de un 16%. Por tanto, un 16% del cobre del escenario de partida se mantendrá, aunque se utilicen conductores de aluminio. 6. Cubierta: Esta formada por poliolefina termoplástica. La diferencia entre espesores para un conductor de cobre y el de aluminio es de 0,3 mm. Al igual que para el aislamiento, se obtiene (Ec. Xx) que el peso de la REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 118 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA poliolefina termoplástica para un conductor de cobre es 0,81 veces la del conductor de aluminio equivalente. 𝑒𝑃𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑃𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜=0,9 𝑃𝑃𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑃𝑃𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜=𝜌𝑃𝑃·𝜋·𝑒𝑃𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑜𝑏𝑟𝑒2 𝜌𝑃𝑃·𝜋·𝑒𝑃𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜2 =(𝑒𝑃𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜·0,9)2 𝑒𝑃𝑃𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜2=0,81 Siendo 𝜌𝑃𝑃 la densidad de la poliolefina termoplástica (Ec 2.38 y 2.39) El acometido de otros materiales como el hormigón y es asfalto es proteger el interior de los tubos donde se introducirán los cables (encofrado). Aunque aumente el diámetro del conductor o disminuya el peso de éste, no se necesita modificar la cantidad de estos materiales en las redes, por lo que permanecen iguales a lo largo del tiempo. Tabla 25 Cambios en los materiales del escenario de cobre al de aluminio Material Cambios en el escenario aluminio Hormigón Constante Aluminio El doble del 84% de cobre existente en el escenario de cobre, puesto que el aluminio se debe únicamente al cambio en el conductor y no en la pantalla. Cobre Permanece un 16% de la cantidad que había en el escenario de cobre ya que las pantallas están formadas del mismo material y son iguales en ambos cables Polietileno 1,05 veces el peso considerado en el escenario de cobre Asfáltico Constante Plásticos* 1,23 veces el peso considerado en el escenario de cobre Fuente: Elaboración propia *Plásticos incluye la poliolefina termoplástica Se considera que para las redes subterrénas tipo PILC (aisladas con papel impregnado en aceite), tanto el papel como el aceite aumentarán en la misma proporción que la poliolefina termoplástica por simplicidad. El plomo se considera que aumenta en la misma proporción que el polietileno. Los datos de materiales para las redes subterráneas se modificarían al cambiar del escenario de cobre al de aluminio según se muestra en la Tabla 25. Resultados mostrados en las Tabla 26 y Tabla 27. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 119 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Tabla 26 Materiales para escenarios de cobre y aluminio en redes AC sub kg/km Redes subterráneas de corriente alterna HV MV LV Escenario Cobre Aluminio Cobre Aluminio Cobre Aluminio Hormigón 35000 35000 72250 72250 Aluminio 4893 280 981 981 Cobre 11650 1864 667 106,72 Polietileno 3600 3780 439 460,95 222 233,1 Asfalto 75700 75700 Plástico 1900 2337 1013,25 1246,3 156 191,9 Fuente: Elaboración propia Datos en kg/km para dos escenarios (cobre como conductor y aluminio como conductor) para redes subterráneas de corriente alterna Tabla 27 Materiales para escenarios de cobre y aluminio en redes AC kg/km Redes de alto voltaje de corriente continua (HVDC) Subterránea Submarina Escenario Cobre Aluminio Cobre Aluminio Acero 3400 3400 12800 12800 Aluminio 6174 4794,74 Zn 1440 1440 Cobre 14700 2352 11416 1826,52 Polietileno 3600 3780 Plástico 1900 2337 1900 2337 Estaño 384 384 Papel 3800 4674 Aceite mineral 4000 4920 Plomo 13900 14595 Fuente: Elaboración propia Datos en kg/km para dos escenarios (cobre como conductor y aluminio como conductor) para redes subterráneas y submarinas de corriente continua REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 120 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA i) Pérdidas en las redes HVDC Para modelar las pérdidas de potencia en las redes se ha elaborado una regresión lineal simple a partir de los datos reportados por el estudio de (Berrill et al., 2016) que reporta las pérdidas de la red HVDC en función de los kilómetros de ésta para 45 escenarios diferentes. En la Tabla 28 y el Gráfico 60 se pueden ver los resultados obtenidos del tratamiento de los datos empleando el software ‘Statgraphics’. La regresión final obtenida, con un 96,8% de R-cuadrado y representativa para un nivel de confianza del 95% es la siguiente: 𝑃é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑑 (𝑇𝑊ℎ 𝑎ñ𝑜)=0,347291 + 0,00602722 · 𝑘𝑚 𝐻𝑉𝐷𝐶 (Ec 2.40) Tabla 28 Coeficientes de la regresión para la estimación de pérdidas en la red Fuente: Elaboración propia utilizando el software ‘Statgraphics’ Coeficientes y análisis de la regresión lineal entre las pérdidas de la red y los kilómetros HVDC de la red Esta regresión finalmente no se implementa en el modelo porque solo representa las pérdidas del sistema HVDC y no del AC completo. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 121 CAPÍTULO 2. METODOLOGÍA Gráfico 60 Modelo ajustado de las pérdidas en la red Fuente: Elaboración propia utilizando el software ‘Statgraphics’ Gráfico del modelo ajustado: Pérdidas de la red (TWh/año) = 0,347291 + 0,00602722 · km HVDC j) Conexión con las variables existentes en MEDEAS-W Se conectarán los siguientes outputs del modelo con las variables existentes en MEDEAS: • Total_annual_grid_cost o total investment RES elec • Materials_requiered_for_grid_system o cum_materials_to_extract_for_alt_techn_from_2015 o required_embodied_FE_for_electric_grids: creada a partir de materials_required_for_grid_system multiplicado por la variable existente en MEDEAS embodied_fe_intensity_materials o FEnUgrids: definida como required_embodied_FE_for_electric_grids·(1+share_energy_requi rements_for_decon_RES_elec) o FenUpou_system: definida como pipeline_transport + FenUgrids o EROIpou_system: definida como (TFEC before heat dem corr-Total distribution losses)/(FEnUpou system+FEnUst system)) • Share_curtailment: conecta con Ratio CF variation RES intermittency RES elec dispatch y Ratio CF variation RES intermittency RES elec var. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 128 CAPÍTULO 3. ESCENARIOS CONSIDERADOS Tabla 31 Simulaciones evaluadas en el escenario de sensibilidad de proporción de subterráneas Escenario SENSIBILIDAD proporción subterráneas Interruptor Opción marcada Simulación 1 Simulación 2 Simulación 3 Crecimiento redes AC Factor escala Share MV underground defined = 0.2 Share MV underground defined = 0.26 Share MV underground defined = 0.35 Escala+CF Escala+CF+desc X Crecimiento redes HVDC MW RES X Cap. Comer. Histórica Materiales en subterráneas Cobre X Share LV underground defined = 0.25 Share LV underground defined = 0.3 Share LV underground defined = 0.45 Aluminio Factor de capacidad Ratio CF X Regresión Proporción subterráneas GDP Objetivo usuario X Fuente: Elaboración propia Marcado con una X se observa la opción de cada interruptor para cada simulación realizada y para cada simulación el valor que se modifica. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 129 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES CAPÍTULO 4: RESULTADOS Y CONCLUSIONES 4.1. Resultados 4.1.1. Resultados en el escenario base Sobre un escenario base se realizarán distintas simulaciones para analizar la variación de diferentes aspectos del modelado que se modifican a través de los interruptores o switch. Se realizarán diferentes simulaciones, con objeto de evaluar: • Cambio en el tipo de crecimiento de las redes AC y HVDC • Cambio en el factor de capacidad, definiéndose a través de las variables Ratio CF variation RES intermittency RES elec dispatch y var anteriormente definidas en MEDEAS o por la regresión realizada en este trabajo. • Cambio en la dinámica de materiales, sustituyendo el cobre de las líneas subterráneas y submarinas por aluminio El resto de los interruptores para cada evaluación permanecerán como se indicó en la Tabla 29. a) Evaluación de las formas de modelado en redes AC y HVDC En primer lugar, se evalúa la evolución de las redes AC para los tres tipos de crecimientos posibles. En el Gráfico 61 se muestran las redes aéreas para los tres tipos de crecimiento de la red AC. Para la segunda y tercera opción en la que se tiene en cuenta el factor de capacidad y la descentralización, la red supera en más de 50 millones más de kilómetros con respecto a la opción 1. Las redes de media y baja tensión van creciendo proporcionalmente, según los ratios estimados en la parte de metodología, a las redes de alta tensión. Las redes subterráneas van creciendo proporcionalmente a las redes de alta tensión. Esta proporción aumenta con el paso de los años hasta llegar al objetivo fijado para 2050 que viene predeterminado. Véase Gráfico 62. REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 130 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfico 61 Redes AC para distintos crecimientos Fuente: Elaboración propia Opción 1: Crecimiento basado en el factor escala. Opción 2: Añadiendo al factor escala el efecto del factor de capacidad. Opción 3: Añadiendo al factor escala y de capacidad, el efecto de la descentralización. El factor de capacidad viene estimado por los Ratio CF variation RES intermittency RES elec dispatch y var. Gráfico 62 Redes AC para crecimiento opción 1 Fuente: Elaboración propia 0 20 40 60 80 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 Million km Time Redes AC aéreas según tipo de crecimiento HVAC aérea op1 HVAC aérea op2 HVAC aérea op3 0 50 100 150 200 250 300 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 Million km Time Redes AC opción 1 HVAC aérea op1 HVAC subterránea op1 MVAC aérea op1 MVAC subterránea op1 LVAC aérea op1 LVAC subterránea op1 REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 131 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfico 63 Costes del Sistema eléctrico opción 3 para redes AC Fuente: Elaboración propia Gráfico 64 Costes del Sistema eléctrico opción 1 para redes AC Fuente: Elaboración propia En el Gráfico 63 y Gráfico 64 se muestran los costes del sistema eléctrico para la primera y tercera opción de las redes AC. El coste de la tercera opción es superior a tres veces el de la primera. 0 5 10 15 20 25 30 35 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 T$/Year Time Costes del sistema eléctrico op3 AC Total annual grid construction cost Total annual grid maintenance cost Total annual grid cost 0 2 4 6 8 10 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 M$/Year Time Costes del sistema eléctrico Total annual grid construction cost Total annual grid maintenance cost Total annual grid cost REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 132 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Si se compara el coste de la inversión con la formación bruta de capital fijo (GFCF), se puede observar cómo las opciones 2 y 3 resultan insostenibles, Gráfico 65. Incluso para la primera opción, llega a un pico en el 2040 aproximadamente de 0.5. La formación bruta de capital fijo es un concepto macroeconómico que hace referencia a la medida en el aumento o disminución de la cantidad total de bienes duraderos en la región considerada (en este caso, el mundo) para un tiempo en cuestión. Gráfico 65 Inversión en redes vs Formación bruta de capital fijo Fuente: Elaboración propia Por defecto se incluyen las redes HVDC modeladas según la opción 2 (capacidad comercializada) En términos de materiales, se necesitan casi 250 Mt más si se considera la opción 3 para modelar las redes AC en comparación con la opción 1, véase el Gráfico 66 . La diferencia entre la demanda para el aluminio y el cobre para las redes eléctricas y su extracción comienza a ser mayor con el paso de los años gracias a la mejora de la eficiencia en el reciclado, Gráfico 67, Gráfico 68, Gráfico 69 y Gráfico 70. Si se fija la opción 1 para redes AC y se comparan las demandas del cobre y aluminio para las tecnologías alternativas en general (tecnologías RES, baterías y redes eléctricas) con las reservas para cada material (Gráfico 71) se observa como la demanda de cobre será mayor a las reservas a partir del 2040. Sin embargo, el aluminio permanece por debajo del 0,15. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 Inversión en redes vs GFCF share grid inversion cost vs GFCF op1 share grid inversion cost vs GFCF op2 share grid inversion cost vs GFCF op3 REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 133 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfico 66 Requerimientos materiales de la red para 2050 distintas opciones en redes AC Fuente: Elaboración propia Comparativa entre los requerimientos materiales si las redes AC están modeladas según la opción 1 o 3. Redes HVDC por defecto en la opción 2. Se han seleccionado los materiales más importantes y representativos de las redes eléctricas. Opción 1 redes AC Opción 3 redes AC Zinc 11 39 Steel 40 119 Iron 410 Copper 14 39 Aluminium 40 126 0 50 100 150 200 250 300 350 Mt Requerimientos materiales para la red eléctrica Zinc Steel Iron Copper Aluminium REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 134 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfico 67 Demanda y Extracción para la red eléctrica del aluminio opción 3 redes AC Fuente: Elaboración propia Gráfico 68 Demanda y extracción del cobre para la red eléctrica opción 3 redes AC Fuente: Elaboración propia 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1995 2015 2035 2055 Mt Time Demanda y extracción para la red eléctrica opción 3 redes AC Aluminium extracted Aluminium required 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1995 2015 2035 2055 Mt Time Demanda y extracción para la red eléctrica opción 3 redes AC Copper extracted Copper required REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 135 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfico 69 Demanda y extracción aluminio para la red eléctrica opción 1 redes AC Fuente: Elaboración propia Gráfico 70 Demanda y extracción cobre para la red eléctrica opción 1 redes AC Fuente: Elaboración propia 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1995 2015 2035 2055 Mt Time Demanda y extracción Aluminio opción 1 Aluminium extracted Aluminium required 0 5 10 15 20 25 1995 2015 2035 2055 Mt Time Demanda y extracción cobre opción 1 Copper extracted Copper required REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 136 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfico 71 Demanda vs Reservas de metales en la opción 1 de redes AC Fuente: Elaboración propia Gráfico 72 Demanda vs Reservas de metales en la opción 3 de redes AC Fuente: Elaboración propia 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 Time Demanda vs reservas de distintos metales op1 Aluminium Copper Zinc 0 1 2 3 4 5 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 Time Demanda vs Reserva de distintos metales op3 Aluminium Copper Zinc REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 137 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Para la estimación de las redes HVDC, se compara entre las tres posibles opciones de crecimiento: Gráfico 73 Redes HVDC según tipo de crecimiento Fuente: Elaboración propia Opción 1: Crecimiento basado en los MW de RES instalados. Opción 2: Crecimiento basado en la capacidad comercializada entre países Opción 3: Proyección histórica En el Gráfico 73 se revela que estimar las líneas HVDC en función de los ratios obtenidos anteriormente de MW de RES instalados, resulta en una sobreestimación irrealista en comparación con la proyección histórica de redes HVDC. Por ello, se dejará de considerar esta opción en el resto de simulaciones. Se puede comparar entre la proyección histórica y la estimación a través de la capacidad comercializada para valores predeterminados en el Gráfico 74. 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 1995 2015 2035 2055 km · 1000 Time HVDC aérea MW RES HVDC aérea Cap. Comercializada HVDC aérea Histórica REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 144 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfico 83 Demanda vs Reservas para el cobre evaluación dinámica de materiales Fuente: Elaboración propia Demanda acumulada versus reservas del cobre para Al scenario (sustitución de conductores de cobre por aluminio) y Cu scenario (cobre como conductor) Gráfico 84 Aluminio requerido evaluación dinámica de materiales Fuente: Elaboración propia 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 1995 2015 2035 2055 Time Demanda vs Reservas de Cobre Share tot cum dem vs reserves materials Al scenario Share tot cum dem vs reserves materials Cu scenario 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 Mt Time Aluminio requerido Aluminium Al Aluminium Cu REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 145 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Por defecto, se ha considerado la opción 3 para redes AC y opción 2 en redes HVDC. Aluminium Al hace referencia al cobre requerido en la sustitución de los conductores de cobre por los de aluminio, y Aluminium Cu a la utilización de cobre como conductor por defecto. Gráfico 85 Demanda vs Reservas para el aluminio evaluación dinámica de materiales Fuente: Elaboración propia Demanda acumulada versus reservas del aluminio para Al scenario (sustitución de conductores de cobre por aluminio) y Cu scenario (cobre como conductor) La disminución de la demanda de cobre de una opción a otra se hace muy notable (de 0.20 puntos en el 2060). Pese a tener que sustituir el cobre por aluminio, la demanda de aluminio respecto a las reservas apenas varía. 4.1.2. Resultados escenarios de sensibilidad redes HVDC En este primer escenario de sensibilidad se modifica el objetivo de capacidad comercializada entre países modificando la variable share_traded_capacity_defined_GW. El resto de interruptores permanecerán en las mismas posiciones para las simulaciones realizadas. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 Time Demanda vs Reservas de Aluminio Share tot cum dem vs reserves materials Al scenario Share tot cum dem vs reserves materials Cu scenario REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 146 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Para un share_traded_capacity_defined_GW = 0.10: Gráfico 86 Nuevas redes HVDC para una capacidad comercializada en 2050 del 10% Fuente: Elaboración propia Gráfico 87 Costes red HVDC para un 10% de capacidad comercializada en 2050 Fuente: Elaboración propia 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 km Time new HVDC grids Overhead Underground Submarine 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 1995 2015 2035 2055 M$/year Time Costes HVDC Annual HVDC grid construction cost Annual HVDC grid maintenance cost Annual HVDC total cost REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 147 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Para un share_traded_capacity_defined_GW=0.15: Gráfico 88 Nuevas redes HVDC para una capacidad comercializada en 2050 del 15% Fuente: Elaboración propia Gráfico 89 Costes red HVDC para un 15% de capacidad comercializada en 2050 Fuente: Elaboración propia 0 50000 100000 150000 200000 1995 2005 2015 2025 2035 2045 2055 km Time new HVDC grids Overhead Underground Submarine 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 1995 2015 2035 2055 M$/year Time Costes HVDC 15% cap Annual HVDC grid construction cost Annual HVDC grid maintenance cost Annual HVDC total cost REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 148 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Las nuevas redes para cada simulación se representan en el Gráfico 86 y Gráfico 88. Si se compara entre ambos casos: Gráfico 90 Extracción acumulada desde 2015 para distintas necesidades de redes HVDC Fuente: Elaboración propia En el Gráfico 90 se muestran la extracción acumulada de materiales para cada caso simulado en redes HVDC. Las necesidades de extracción apenas varían pese al aumento de la capacidad de comercialización de energía eléctrica entre países. Extracción acumulada en 2050 - 10% Extracción acumulada en 2050 - 15% Zinc 39,1832 39,4196 Steel 119,344 122,165 Iron 9,98478 10,4345 Copper 38,6908 40,5142 Aluminium 125,998 126,451 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Mt Extracción acumulada desde 2015 para red HVDC REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 149 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 4.1.3. Resultados escenario de sensibilidad proporción de redes subterráneas En este escenario de sensibilidad se comparan tres valores distintos (proporción baja, por defecto y alta) para la variable Share_MV_underground_defined y Share_LV_underground_defined. Gráfico 91 Requerimientos acumulados desde 2015 de materiales para la red AC para 2050 según distintas proporciones de redes subterráneas de MV y LV Fuente: Elaboración propia Proporción alta Proporción predeterminada Proporción baja Zinc 350 363 370 Copper 191 178 171 Aluminium 1201 1159 1148 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Mt Requerimientos acumulados materiales para la red eléctrica AC en 2050 REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 150 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Gráfico 92 Costes de la red para distintas proporciones de redes subterráneas de MV y LV Fuente: Elaboración propia En el Gráfico 91 se muestran los requerimientos materiales para estas tres proporciones de redes subterráneas de medio y bajo voltaje evaluadas. A medida que disminuye la proporción de redes subterráneas se observa un aumento en los requerimientos de Zinc, mientras que cuando la proporción de redes subterráneas crece, se necesita más cobre y aluminio. En el Gráfico 92 se comparan los costes del sistema a afrontar para cada proporción. Los costes aumentan considerablemente para el caso de más redes subterráneas. 0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000 35000000 40000000 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 M$/year Time Costes de la red en función de la proporción de redes subterráneas Coste total de la red proporción alta Coste total de la red proporción predeterminada Coste total de la red proporción baja REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 151 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES 4.2. Análisis de los resultados La primera prueba en el escenario base consiste en analizar las diferentes formas de modelado en redes AC y HVDC. Para la red de corriente alterna, se han computado tres posibles formas de modelar las necesidades de kilómetros para cada tipo de red. Si se considera la primera opción, en la que la red únicamente crece por un factor escala de la capacidad instalada del total de plantas de generación en el mundo, los kilómetros totales de redes AC crecen en 420 millones desde 2015 hasta 2050. Para la segunda opción, incorporando el efecto del factor de capacidad, este crecimiento llega a ser de 625 millones. Para la opción 3 en la que se considera el efecto que supone la descentralización de las redes, el aumento disminuye a 476 millones. Teniendo únicamente en cuenta el factor de capacidad, los requerimientos de materiales para 2050 de aluminio y cobre llegan a 40 y 14 Mt respectivamente. El zinc alcanza unos requerimientos de 11 Mt y el acero de 4 Mt. Gracias a la mejora en las tasas de reciclado, la cantidad extraída es mucho menor que la requerida. Por ejemplo, en el aluminio para la opción 3 de modelado de las redes AC, la cantidad realmente extraída de aluminio en 2050 es de un 15% de la requerida gracias al reciclado. Hay que hacer especial mención a la demanda de metales respecto a las reservas estimadas puesto que, para el cobre y el zinc, se superan las reservas desde el 2030 para el zinc y 2040 para el cobre en la opción 1, y en el 2030 y 2035 para la opción 3. La demanda de aluminio, sin embargo, representa un 20% de las reservas estimadas en la opción 3, por lo que no peligra la escasez en este metal. En términos económicos, las opciones 2 y 3 resultan insostenibles para el sistema, puesto que los costes de inversión en redes superan la formación bruta de capital fijo. Se compara también entre el EROIpou y EROIst del sistema para las opciones 1 y 3 que, dada la diferencia tan grande en kilómetros de redes, el EROIpou en la opción 1 se acerca más al EROI estándar que en la opción 3, lo que significa que el transporte de la energía supone menos coste energético en un caso que en el otro. En el modelado de la corriente continua de alto voltaje (redes HVDC internacionales), se ha incorporado como primera opción el modelado anterior existente en MEDEAS, en el que se incrementaba la red HVDC en función de los REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 152 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES MW de RES instalados. Al examinar los resultados se ha comprobado que esta opción conlleva una sobreestimación de la red, al reportar un crecimiento de 138 millones de kilómetros. Si comparamos este resultado con el crecimiento total de la red alterna en su primera opción, significaría que la red HVDC sería un 24% del total, lo cual conduce a una exageración en las redes de corriente continua. La segunda opción para modelar esta red considera suponer que la red HVDC crecerá en función de la necesidad de capacidad comercializada requerida entre países del mundo. El resultado para este caso ha sido un aumento de 32,3 millones de redes, un millón más respecto a la tercera opción, en el que se modelan las HVDC en función de su proyección histórica. Se han combinado las tres opciones de modelado para las redes AC con las otras tres para las redes HVDC, obteniendo en el mejor escenario (AC opción 1 y HVDC opción 3) una cantidad extraída de materiales de 11400 Mt, 760 de ellas de aluminio y 200 de cobre. Para el peor escenario (AC opción 2 y HVDC opción 1), las Mt de materiales extraído ascienden a 83500 Mt, 3500 de ellas de aluminio y 1600 de cobre. La segunda prueba en el escenario base consiste en evaluar la forma de modelar el factor de capacidad. Por defecto, en MEDEAS el factor de capacidad viene definido teniendo en cuenta la variabilidad de las energías renovables variables. En esta prueba se analiza el cambio que supone en las redes de corriente alterna, modeladas en las opciones 2 y 3 a partir del factor de capacidad, modificar el parámetro existente en el modelo por el estimado a partir de la regresión obtenida en este trabajo. Esta regresión representa la relación del curtailment con el almacenamiento, las redes HVDC y la proporción de renovables variables en el sistema. La proporción de curtailment sustituye el factor de capacidad. El efecto que provoca en el sistema es una disminución de las redes de hasta 40 millones para la opción 3 de modelado de redes AC, ya que el factor de capacidad obtenido llega a 0.9 en 2050 mientras que en modelado existente era aproximadamente de 0.7 y 0.3 en las energías variables y no variables respectivamente. Por tanto, modificar el factor de capacidad por esta nueva regresión hace que aumente considerablemente respecto a la estimación anterior. La tercera prueba realizada sobre el escenario base sirve para evaluar la dinámica de los materiales, permitiendo la sustitución de los conductores de cobre por los de aluminio. Pese a que modificando cobre por aluminio en las redes eléctricas la demanda de cobre en 2050 seguirá siendo muy superior a las reservas, se ve una disminución de 0.2 puntos en la demanda respecto a la reserva sin apenas notificar cambios en la de aluminio, por lo que se presenta como una buena alternativa para evitar el desabastecimiento del cobre. Esto se debe a que pese REQUERIMIENTOS MATERIALES PARA LA TRANSMISIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD PARA LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA – Elena Zamora Verdejo 153 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y CONCLUSIONES necesitar mayor sección de aluminio para conseguir la misma conductividad del cobre, el aluminio pesa la mitad que el cobre. Se han realizado dos análisis de sensibilidad. En el primero de ellos se analiza el aumento en la capacidad comercializada entre países para comprobar el efecto que provocaría el aumento de las redes HVDC en el mundo. Se observa que las necesidades de extracción de materiales apenas varían al aumentar la necesidad de capacidad de comercialización energética, pero hay que prestar especial atención a los costes, ya que estos sí serán considerables en el sistema. En el segundo escenario de sensibilidad se evalúa la variación en la proporción de redes subterráneas en el sistema para redes de medio y bajo voltaje. El cobre y aluminio aumentaría con la cantidad de redes subterráneas respecto del total mientras que las necesidades de zinc disminuirían. En 2050 para la simulación con mayor proporción de redes subterráneas del total, se necesitan unos materiales acumulados desde el 2015 de 350, 191 y 1200 Mt para el zinc, el cobre y el aluminio. Para la simulación con menor proporción de redes subterráneas se necesitan 370, 170 y 1150 Mt respectivamente. El coste de la red total será mayor a medida que se aumente la proporción de la red subterránea en el total. 4.3. Conclusiones Para poder realizar una transición energética hacia las energías renovables es muy importante evaluar los posibles efectos adversos que causen las medidas necesarias para llevar a cabo este proceso. Por ello, este trabajo analiza una de las formas de gestión de la intermitencia de las energías renovables variables: el aumento de las redes eléctricas. Pese a que el sistema eléctrico está conformado por materias primas muy abundantes como el aluminio, también posee pequeñas cantidades de otros metales como cobre o zinc que pueden poner en peligro sus reservas causando desabastecimiento de materiales esenciales en la sociedad. En este trabajo se han analizado diferentes formas para modelar el futuro de la red eléctrica, evaluando los resultados obtenidos en cada caso con objeto de recopilar los requerimientos materiales futuros para las redes en el contexto de la transición energética. A su vez, se han evaluado de una forma simplificada los posibles costes que supone la red. Para ello se ha creado un sub-modelo que