A medida que la ciencia sobre el cambio climático y sus impactos en la economía global se vuelve más clara y urgente, los gobiernos buscan cada vez más formas de reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero. La mayor fuente de estas emisiones proviene de la combustión de combustibles fósiles, incluyendo carbón, petróleo y gas natural, para producir electricidad, un esfuerzo que en 2012 representó aproximadamente el 40 por ciento de las emisiones a nivel mundial y el 32 por ciento en Estados Unidos. Cada vez más, los países buscan reducir las emisiones en el sector eléctrico recurriendo a opciones de generación de bajo o sin carbono. Sin embargo, hasta ahora ha habido poco análisis exhaustivo y empírico de cuál de estas tecnologías es más eficiente y cuál ofrece el mejor beneficio por dólar a medida que buscamos reducir las emisiones.
- ¿Cuánto me va a costar?
- ¿Los costos adicionales de la energía eólica y solar están justificados por los beneficios de reducir las emisiones de dióxido de carbono?
- ¿Por qué los costos por KWH de la energía eólica y solar son mucho más altos, y los beneficios no son muy diferentes, que las otras tres alternativas de bajo carbono?
- ¿Cómo podemos estar seguros de que una nueva planta de bajo carbono reemplazará una planta de carbón de alto carbono en lugar de otra planta de bajo carbono?
- ¿Qué tiene este documento para los responsables de la formulación de políticas interesados en reducir las emisiones de dióxido de carbono a un costo razonable?
¿Cuánto me va a costar?
Esta es una pregunta importante porque los costos de energía son privados y son responsabilidad de los consumidores de todos los días, mientras que los beneficios de reducir el uso de carbono se comparten como un bien público global. Entonces, ¿cuánto nos costaría a usted y a mí movernos hacia un entorno en el que generemos electricidad a través de tecnologías principalmente de bajo carbono? ¿Cómo cambiaría el costo por megavatio hora (MWh) y kilovatio hora (KWH)?
Una de las mejores situaciones para nuestras alternativas propuestas de bajo carbono sería que cada una de ellas reemplace el uso de plantas de carbón cuando la demanda de electricidad sea moderada, que es la mayor parte del tiempo, y plantas de ciclo simple de gas durante períodos más cortos de uso máximo de energía.
Tabla de costos por kilovatio hora (KWH)
| Tecnología | Costo por KWH (comparado con las tecnologías de alto carbono) |
|---|---|
| Eólica | Aproximadamente 6 centavos más por KWH |
| Solar | Aproximadamente 19 centavos más por KWH |
| Hidroeléctrica | Ahorra en costos de energía en comparación con el carbón y el gas |
| Nuclear | Ahorra en costos de energía en comparación con el carbón y el gas |
| Gas de ciclo combinado | No cuesta más que el costo de energía del carbón o del gas |
Los datos de la tabla muestran que todas las tecnologías de bajo carbono ahorran en los costos de energía en comparación con las plantas de carbón y gas simples. La energía eólica, solar e hidroeléctrica ahorran en los costos de energía porque la energía del viento, el sol y el agua es gratuita. La energía nuclear ahorra en los costos de energía porque el uranio es más barato que el carbón o el gas por unidad de energía. El gas de ciclo combinado ahorra en los costos de energía principalmente porque es mucho más eficiente energéticamente que el carbón o el gas de ciclo simple. Sin embargo, cuatro de las cinco tecnologías de bajo carbono tienen un costo de capacidad neto mucho más alto, es decir, el costo de construcción y mantenimiento de las plantas de energía de bajo carbono, porque las cuatro son mucho más costosas de construir y mantener que una nueva planta de carbón o gas simple ciclo. Una planta de gas de ciclo combinado ahorra en los costos de capacidad principalmente porque cuesta aproximadamente dos tercios menos construir que una planta de carbón.
Sumando el costo neto de energía y el costo neto de capacidad de las cinco alternativas de bajo carbono, la más costosa con mucho es la solar. Cuesta casi 19 centavos más por KWH que la energía de las plantas de carbón o gas que reemplaza. La energía eólica es la segunda más cara. Cuesta casi 6 centavos más por KWH. El gas de ciclo combinado es el menos costoso. No cuesta más que el costo de energía del carbón o del gas. De hecho, cuesta alrededor de 3 centavos menos por KWH.
Para poner estos costos adicionales en contexto, el costo promedio de la electricidad para los consumidores de Estados Unidos en 2012 fue de 84 centavos por KWH, incluido el costo de transmisión y distribución de electricidad. Esto significa que una nueva planta eólica podría costar al menos un 50 por ciento más por KWH para producir electricidad, y una nueva planta solar al menos un 200 por ciento más por KWH, que el uso de tecnologías de carbón y gas.
¿Los costos adicionales de la energía eólica y solar están justificados por los beneficios de reducir las emisiones de dióxido de carbono?
Los costos adicionales de la energía eólica y solar podrían valer la pena, siempre y cuando el valor de las emisiones que evitan sea lo suficientemente alto. Sin embargo, como muestra la siguiente tabla, si valoramos las emisiones reducidas a $50 por tonelada de dióxido de carbono, los beneficios de la energía eólica y solar, netos de sus costos, son menores que los de las otras tres alternativas de bajo carbono.
Tabla de beneficios netos por kilovatio hora (KWH)
| Tecnología | Beneficios netos por KWH (netos de los costos adicionales) |
|---|---|
| Eólica | Negativo |
| Solar | Negativo |
| Hidroeléctrica | Positivo |
| Nuclear | Positivo |
| Gas de ciclo combinado | Positivo |
Los beneficios de las emisiones reducidas de las tecnologías de bajo carbono por KWH son aproximadamente los mismos para cuatro de las cinco alternativas, alrededor de cinco centavos por KWH. Los beneficios de la energía eólica y solar, menos sus costos adicionales, son negativos. Los beneficios netos de las otras tres alternativas son positivos y considerablemente más altos. El gas de ciclo combinado ocupa el primer lugar en términos de beneficios netos, mientras que la hidroeléctrica y la nuclear ocupan el segundo y tercer lugar.
Un precio de dióxido de carbono de $50 por tonelada coloca un valor bastante alto en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono. Por ejemplo, el precio de las emisiones de dióxido de carbono en el Sistema de Comercio de Emisiones de Europa alcanzó un máximo de unos 30 euros en 2006 y se negociaba alrededor de 5 euros a fines de 201Los precios recientes en los sistemas de comercio en California han estado alrededor de $12 y en varios estados del este de Estados Unidos alrededor de $2 por tonelada.
¿Por qué los costos por KWH de la energía eólica y solar son mucho más altos, y los beneficios no son muy diferentes, que las otras tres alternativas de bajo carbono?
Los costos son mucho más altos por tres razones. Primero, el costo por MW de capacidad para construir una planta eólica o solar es bastante alto (y mucho mayor que el de una planta de gas). El costo por MW de capacidad solar es especialmente alto. Las reducciones en el costo de los paneles solares fotovoltaicos han reducido el costo de construcción de una planta solar en un 22 por ciento entre 2010 y 2012, pero las reducciones adicionales es probable que tengan un efecto menor porque el costo de los paneles solares es solo una fracción del costo total de una planta solar a gran escala.
En segundo lugar, una planta eólica o solar opera a plena capacidad solo una fracción del tiempo, cuando sopla el viento o brilla el sol. Por ejemplo, una planta solar típica en Estados Unidos opera solo alrededor del 15 por ciento de su capacidad total y una planta eólica solo alrededor del 25 por ciento de su capacidad total, mientras que una planta de carbón puede operar al 90 por ciento de su capacidad total durante todo el año. Por lo tanto, se necesitan seis plantas solares y casi cuatro plantas eólicas para producir la misma cantidad de electricidad que una sola planta de carbón.
En tercer lugar, la producción de las plantas eólicas y solares es altamente variable, año tras año, mes a mes, día a día y hora a hora, en comparación con una planta de carbón, que puede operar al 90 por ciento de su capacidad total alrededor del 90 por ciento del tiempo. Por lo tanto, se requieren más de seis plantas solares y cuatro plantas eólicas para producir la misma cantidad de energía con el mismo grado de confiabilidad que una planta de carbón de la misma capacidad. En el documento, estimamos que se requieren al menos 3 plantas solares y 3 plantas eólicas para producir la misma cantidad de energía con la misma confiabilidad que una planta de carbón.
En contraste, una nueva planta de gas de ciclo combinado o nuclear puede operar también al 90 por ciento de su capacidad total y puede reemplazar una planta de carbón en una relación de uno a uno. Una planta hidroeléctrica con almacenamiento puede operar al 100 por ciento de capacidad durante los períodos de mayor demanda y más del 40 por ciento durante los períodos de menor demanda. En términos monetarios, se necesita una inversión de $29 millones en capacidad solar y $10 millones en capacidad eólica para producir la misma cantidad de electricidad con la misma confiabilidad que una inversión de $1 millón en capacidad de gas de ciclo combinado.
Los beneficios de las emisiones reducidas de la energía eólica y solar son limitados porque operan a plena capacidad solo una fracción del tiempo. Una planta nuclear o de gas de ciclo combinado evita muchas más emisiones por MW de capacidad que la energía eólica o solar porque puede operar al 90 por ciento de su capacidad total. Los beneficios limitados y los costos más altos hacen que la energía eólica y solar sean socialmente menos valiosas que la nuclear, la hidroeléctrica y el gas de ciclo combinado.
¿Cómo podemos estar seguros de que una nueva planta de bajo carbono reemplazará una planta de carbón de alto carbono en lugar de otra planta de bajo carbono?
No podemos estar seguros. Si los productores de electricidad no tienen que pagar un precio por el dióxido de carbono que emiten, es muy probable que una nueva planta de bajo carbono reemplace una planta de ciclo combinado de gas existente de bajo carbono. El costo de operar una planta de carbón existente suele ser mucho menor que el de operar una planta de ciclo combinado de gas existente, y la planta de ciclo combinado se cerrará antes que la planta de carbón. La reducción de las emisiones será mucho menor que si se cierra la planta de carbón, ya que una planta de carbón emite aproximadamente tres veces más dióxido de carbono que una planta de ciclo combinado de gas.
Sin embargo, si los productores de electricidad tienen que pagar un precio lo suficientemente alto por el dióxido de carbono que emiten, entonces una planta de carbón se cerrará antes que una planta de ciclo combinado de gas. El precio de las emisiones de dióxido de carbono requerido para inclinar el equilibrio entre cerrar el carbón y cerrar el gas depende del precio del gas en relación con el del carbón. También depende de si estamos hablando de la elección a corto plazo de operar una planta de gas existente en lugar de una planta de carbón existente, o de la elección a largo plazo de invertir en una nueva planta de gas de ciclo combinado en lugar de una nueva planta de carbón.
En Estados Unidos, donde el precio del gas natural es bajo en comparación con la mayoría de los otros países, el precio de las emisiones de CO2 tuvo que ser de al menos $5 o más en 2013 para inclinar el equilibrio a corto plazo a favor de cerrar el carbón. A los precios actuales del gas en Estados Unidos, la inversión en una nueva planta de gas de ciclo combinado es más rentable que una inversión en una planta de carbón incluso sin ninguna penalización de precios por las emisiones de CO
En Europa, donde el precio del gas natural es mucho más alto que en Estados Unidos, se requiere un precio de emisión de CO2 de $65 a $85 por tonelada métrica para inclinar el equilibrio a corto plazo a favor de cerrar el carbón, mucho más alto que el precio actual de las emisiones de CO2 en el Sistema de Comercio de Emisiones de Europa. Sin embargo, el precio de las emisiones de CO2 solo necesita ser de alrededor de $12 a $22 por tonelada métrica para inclinar el equilibrio a largo plazo a favor de invertir en una nueva planta de gas de ciclo combinado en lugar de una nueva planta de carbón.
¿Qué tiene este documento para los responsables de la formulación de políticas interesados en reducir las emisiones de dióxido de carbono a un costo razonable?
Primero, los incentivos renovables que favorecen la energía eólica y solar y perjudican a la hidroeléctrica, nuclear y de ciclo combinado de gas a gran escala son una forma muy cara e ineficiente de reducir las emisiones de dióxido de carbono.
Segundo, los incentivos renovables en ausencia de un precio adecuadamente alto para el dióxido de carbono son aún menos efectivos, porque sin un precio de carbono, la energía renovable reemplazará a las plantas de gas de bajo carbono en lugar de las plantas de carbón de alto carbono.
Tercero, los incentivos renovables deben basarse no en la producción de energía renovable, sino en la reducción de las emisiones de CO2 mediante la energía renovable. No son lo mismo.
Cuarto, un precio de carbono es mucho más efectivo para reducir las emisiones de carbono precisamente porque no está sesgado hacia una sola tecnología, sino que recompensa cualquier tecnología que reduzca las emisiones a un costo razonable.
Quinto, los beneficios de una planta de ciclo combinado de gas no dependen de la revolución del fracking de gas natural en Estados Unidos. Las plantas de ciclo combinado son muy beneficiosas incluso en Europa, donde los precios del gas natural son más altos y el fracking es más limitado. El problema en Europa es que el precio de las emisiones de CO2 en el Sistema de Comercio de Emisiones de Europa es demasiado bajo para fomentar la producción de electricidad mediante gas en lugar de carbón.
Sexto, aunque el sector eléctrico representa solo el 40 por ciento de las emisiones de carbono en todo el entorno, una electricidad más limpia puede reducir las emisiones de CO2 en otros sectores, por ejemplo, reduciendo la huella de carbono de los vehículos eléctricos y la calefacción del hogar.
Finalmente, el sector eléctrico ofrece una de las formas más simples y rentables de reducir las emisiones de dióxido de carbono. Simplemente reemplazando todas las plantas de carbón de alto carbono en Estados Unidos con cualquiera de las cinco alternativas de bajo carbono se puede reducir las emisiones de CO2 en el sector eléctrico de Estados Unidos en un 50 a 70 por ciento. Las reducciones potenciales en otros países, como China, donde el carbón es más importante, son aún mayores.