Energy Payback y Tasa de Retorno Energético (TRE): Una breve aclaración

A través de mi viaje en el mundo de la divulgación, me he encontrado con una serie de personas que aplican estos conceptos de forma errónea. Sobre todo, en lo referente a las instalaciones fotovoltaicas. Por ende, nos centraremos en esta tecnología y desmentiremos cualquier tipo de mito o conclusiones fuera de la evidencia científica. 

La importancia del TRE y el EPBT es capital. En la transición energética, el origen y el modo con el que manejamos y transformamos la energía es muy importante. Pero aunque actualmente estemos resolviendo esta transición mediante fuentes de energía virtualmente ilimitadas, es necesario tener una conciencia sobre cuanta energía extraemos de un sistema para ponerla en otro. Conocer como manipulamos estos flujos que van de la generación al consumo nos hace más conscientes de nuestra sociedad y tecnología, si hacemos un buen uso o si, por el contrario, desperdiciamos energía que podríamos invertirla en otros procesos. Este "coste de oportunidad energético" es uno de los grandes motivos por los que hay que analizar cuidadosamente cuanto producimos en base a lo que gastamos.

TRE o EROI (“Energy Return Of Investment”)

Para cuantificar la energía que produce un sistema de generación con respecto a la energía requerida para llevarlo a cabo, se utiliza la Tasa de Retorno Energético, o TRE (EROI en inglés). Este cociente nos indica en un período específico si nuestra instalación ha merecido la pena en términos energéticos. Que es en parte independiente de su rentabilidad económica, aunque es un parámetro influyente, dado que, si produzco mucho más de lo que invertí, la ganancia sería mayor. Los procesos industriales requeridos habrían utilizado menos energía, es decir, tengo un ahorro de compra. No obstante, este razonamiento forma parte de un punto de vista general y global. En la vida real hay que hacer varias distinciones, pues muchos asocian este parámetro con rentabilidad económica.

En primer lugar, un promotor de una instalación de generación no tiene por qué percibir ciertos cambios de precio de la industria. Es decir, es posible que el proceso de fabricación de materiales (de módulos FV, inversores, protecciones o contadores) produzca un impacto en el precio asociado al consumo energético que no sea perceptible para el inversor. Normalmente estos cambios si suelen influir.

Imaginemos que existe un ahorro de energía. Esta reducción de consumo debería reflejarse en el precio de los equipos, y el promotor sería consciente de ello. ¿Pero y si no? Podrían existir otros costes, asociados a otros sucesos, que encareciesen el precio. El promotor estaría viendo una subida de precios, a pesar de que el consumo energético es inferior. Por lo que se concluye que, en un caso real, este efecto podría no notarse. Actualmente sufrimos las subidas de precio de módulos FV por la paralización industrial que sufre nuestro principal proveedor, China (asociado al COVID y al consumo energético demandado por la industria, que es excesivo). Sin embargo, nuestras plantas tendrán un consumo energético inferior por Wp producido, dado que la manufactura de wafers de silicio ha disminuido la demanda de material con su optimización.

Lo que quiero explicar con esto es que muchas veces las reducciones del consumo energético de los procesos industriales no producen un impacto notable en la disminución del precio de la instalación. Existen muchas situaciones en las que esto es posible. Sugerir por tanto que la TRE da una señal de rentabilidad económica es una conclusión errónea. Se demuestra posteriormente analizando los valores calculados, que, a pesar de tener la FV un TRE muy inferior al de la nuclear, la demanda de proyectos solares fotovoltaicos es considerablemente superior e imbatible.

Debemos tener cuidado también a la hora de exponer datos sobre el TRE. Me explico. Este parámetro se encuentra ligado a la producción energética, y esta es muy relativa, ya que depende no solo de la tecnología implementada, sino de su avance tecnológico, el recurso energético del emplazamiento, el dimensionamiento y optimización de la instalación y sus equipos, las condiciones físicas y climáticas de la localización, entre muchos otros factores. Esto es de vital importancia, dado que el TRE no se puede extrapolar de forma general, salvo para tener una ligera idea de comparativa entre tecnologías.

Figura 1: TRE (o EROI) de diferentes tecnologías de generación.

Cada instalación tendrá un TRE que podrá ser muy distinto. Sobre todo, si comparamos entre instalaciones de diferente recurso energético. Una planta FV en España probablemente adoptará un TRE muy superior al que tendría otra instalación en Alemania.

En consecuencia, se debería hablar de una tasa local, y no global. Esto último genera conclusiones erróneas, y muchas veces confusas.

Este gráfico anterior es un ejemplo de ello. La TRE de la fotovoltaica es igual a 2, es decir, generamos 2 veces más energía de la que consumimos. Y aunque sea un beneficio a nivel de eficiencia energética, es un dato sesgado. Si acudimos a más investigaciones ya se nos advierte de esto, calculándose un TRE que oscila entre 8’7-34’2. Es decir, que en algunos lugares podríamos generar 34’2 veces más de lo que consumimos. Completamente diferente a lo que se muestra en el anterior diagrama. Y esto se aplica al resto de tecnologías, no solo a la fotovoltaica.

El cálculo del TRE también puede hacerse en base al nivel de penetración renovable del sistema, que es una forma más justa y clara de ver el problema que hemos tratado. Para un escenario del 50 % de renovables, una FV tiene un TRE de 6’72, muy inferior al de una nuclear, por ejemplo, que asciende hasta los 119. Sin embargo, a medida que aumenta esta presencia de renovables, se incrementa el volumen de generación solar, y eso conlleva a que la TRE sea considerablemente superior. Para el 75 %, la FV aumenta hasta 101’77, muy cercano a los 119 nucleares. Para un 85 %, ya supera con creces a cualquier tecnología. Este es el efecto de la producción energética con respecto al TRE.

Figura 2: TRE en función del escenario de penetración renovable [1]

A pesar de tener la FV una TRE baja en muchos escenarios, el precio del módulo FV ha decrecido considerablemente a lo largo de estos años del S. XXI, como se puede observar en el siguiente gráfico. En el período 2020-2021 no ha ocurrido esto debido al problema que comentábamos anteriormente. La disminución de precios de las células solares ha contribuido a que esta subida no sea tan grande, pero sigue siendo un incremento, producto de la crisis económica y energética china. Aun así, los paneles solares siguen teniendo una ventaja económica increíble (precios inferiores a 1 $/W en mayor parte, que equivalen a menos de 455 $ para un panel Jinko Solar de 455 Wp).

Figura 3: Coste del módulo FV en $/Wp [5]

En cuanto a instalaciones FV tenemos unos valores económicos tremendamente prometedores, que se refleja en la demanda de estas tecnologías. El autoconsumo FV es aún un poco caro en comparación, dado que estas instalaciones no se benefician de las economías de escala que conllevan una reducción de costes. Sin embargo, comparando con el resto de las centrales grandes, el rey de la competitividad sin duda es el gigante solar.

Figura 4: Coste nivelado de la electricidad (LCOE) de las tecnologías [2]

Otro factor que no he comentado es el alcance temporal del cálculo del TRE. Ya que esta variable no proporciona información acerca del tiempo transcurrido. El valor puede ser tan grande como uno quiera, aunque quizás la mejor forma sería suponer una producción anual, real o estimada, como se hace en algunos papers. Sin embargo, hay que tener en cuenta este hecho para evitar discrepancias en los análisis.

Respecto al tiempo de producción considerado, existe un parámetro que incluye información relacionada, y es el Energy Payback time, o tiempo de retorno energético.

Energy Payback Time (EPBT), o tiempo de retorno energético

El tiempo de retorno energético se puede definir como el tiempo que tarda una instalación de generación en producir la misma energía que se invirtió para constituirse. Es decir, nos informa de cuánto tiempo necesita producir una planta para poder ser eficiente energéticamente en todo el proceso de la manufactura y construcción.

Notemos que, para empezar, este parámetro tiene unidades de tiempo, mientras que el TRE no tiene unidades, es un cociente adimensional. Miden diferentes magnitudes, y proporcionan distintos tipos de información.

Sin embargo, existen multitud de similitudes. Ambas dependen del tipo de tecnología, recurso, emplazamiento, etc. En una instalación FV estas variables se representan mediante el factor de rendimiento (Performance Ratio, o PR), que actualmente suele adoptar valores de en torno al 77 %.

Pero este tiempo depende de algo más, y es la eficiencia de la red eléctrica. Esto es debido a que el EPBT tiene en cuenta la energía que proviene de los nodos de generación, y que se traslada a los puntos de consumo de la industria fotovoltaica. Podríamos verlo como una especie de amortización energética, y claramente esta depende de ambas ubicaciones, tanto la generación como la demanda.

Un ejemplo muy claro es el autoconsumo, en donde algunas de las instalaciones se ubican en los hogares de consumo, y por tanto las pérdidas eléctricas de transporte son nulas. El EPBT en este caso será mucho menor. Tardaremos menos tiempo en recuperar la energía invertida, dado que hemos malgastado menos electricidad en el proceso de transporte.

Figura 5: Parámetros de eficiencia que influyen en el EPBT [4] 

El Fraunhofer estima que el EPBT podría reducirse en un 9’5 % si reemplazáramos la producción de módulos china por la europea, dado que la manufactura fotovoltaica depende de la generación eléctrica, y en Europa la red tiene una eficiencia mucho mayor. Esto reduce la producción de energía necesaria para mantener los mismos procesos productivos con idéntica intensidad, disminuyendo el Payback.  

Por otro lado, el EPBT también depende de la generación acumulada. La siguiente gráfica nos muestra la tendencia decreciente de esta variable con la producción acumulada. En los últimos 24 años, el EPBT ha disminuido un 12’8 %, situándose en 1 año aproximadamente para 2020. Esto son buenas noticias, dado que tan solo necesitamos 1 año (o menos) para recuperar la energía perdida en la construcción de nuestra instalación de autoconsumo FV.

Figura 6: EPBT en función de la producción acumulada [4]

Conclusiones

El EPBT y el TRE son dos parámetros que dan información diferente acerca de una instalación de generación. Ambos muestran el desempeño de una planta con respecto a la energía que se utilizó para su constitución, como si fuera una amortización energética. Sin embargo, el valor que más nos dice acerca de la instalación es el EPBT, ya que podemos calcular, en base al consumo energético que requiere, la producción necesaria para recuperar esa energía invertida. Por lo que, aunque el EPBT nos dice el tiempo requerido para cumplir este objetivo, también podemos extraer datos de la producción, a diferencia del TRE, que solo puede darnos la generación estimada en un intervalo concreto.

El EPBT de las instalaciones fotovoltaicas de autoconsumo ha demostrado ser muy inferior a lo que uno cabría esperar. Se tratan de proyectos de alta eficiencia energética, que compensan mucho mejor el consumo utilizado para la construcción y desarrollo de estas tecnologías. Los módulos FV pueden tener un ciclo de vida de MINIMO 25 años, sabiendo que, en la realidad este valor es mucho mayor. Por lo que, si en menos de 1 año hemos podido compensar el consumo energético requerido, nuestra instalación producirá mucho mas de 25 veces ese consumo, a lo largo de su vida útil. Nos da una idea entonces del potencial y eficiencia que tienen estos sistemas.

Referencias

[1] Khagendra P. Bhandari, Jennifer M. Collier, Randy J. Ellingson, Defne S. Apul, “Energy payback time (EPBT) and energy return on energy invested (EROI) of solar photovoltaic systems: A systematic review and meta-analysis”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 47, 2015.

 

[2] “LAZARD’S LEVELIZED COST OF ENERGY ANALYSIS—VERSION 15” (2022).

 

[3] “Implementation of the Energy Return on Investment (EROI) into the EnergyScope TD model” (Université de Liège, 2021).

 

[4] “PHOTOVOLTAICS REPORT: Prepared by Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE with support of PSE Projects GmbH” (2022).

 

[5] “PVPS: TRENDS IN PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS” (IEA, 2022).