Recientemente tuve uno de esos vergonzosos momentos de ajá, uno en el que algo es tan obvio que no se me ocurrió mucho antes y me hizo temblar. Aún así, más vale tarde que nunca. ¿Y cuál fue la epifanía? Bueno, esa energía realmente útil que tenemos que producir se reducirá drásticamente cuando apliquemos bombas de calor en todas partes posibles en calefacción comercial, residencial e industrial.

Esta discusión debe comenzar con los diagramas de flujo de energía de Sankey. Compartí un montón de ellos de diferentes organizaciones y países hace unas semanas en un artículo extenso donde consideré el requisitos para un simulador de futuros de energía. Para esta discusión, comenzaré con el diagrama de flujos de energía de EE. UU. LLNL.

Estos números están en quads, lo que equivale a mil billones de unidades térmicas británicas (BTU). La metodología LLNL convierte todo en unidades comunes, lo cual es un ejercicio doloroso y generalmente ingrato, así que me alegro de que lo hayan hecho.

Dos puntos sobre quads. La primera es que la metodología de LLNL para convertir electricidad renovable en quads asume tasas de calor de plantas de combustibles fósiles para la eficiencia, lo que parece extraño y todavía no he llegado al fondo. Puede ser que, como resultado, estén subestimando la energía primaria renovable, o puede ser apropiado, pero no he encontrado documentación o expansión al respecto. Si alguien tiene un buen indicador de sus opciones, por favor hágamelo saber. El segundo, por supuesto, es la ironía de que EE. UU. persista en usar medidas imperiales.

¿Qué es la falacia de la energía primaria? Bueno, es la creencia de que tenemos que reemplazar todas las entradas de energía primaria en el lado izquierdo del gráfico anterior, en lugar de solo los servicios de energía, incluidos los que he mencionado. Tome esta pieza por ejemplo: EIA: Consumo mundial de energía aumentará un 28% para 2040. Esa es una proyección estadounidense de la Administración de Información de Energía, una organización diferente a LLNL pero parte del mismo gobierno. Mano izquierda por favor hable con la mano derecha.

Lo que realmente tenemos que reemplazar son los servicios de energía en recuadros de color gris claro en el lado derecho del gráfico. Así es, EE. UU. no necesita reemplazar 97.3 quads de energía, necesita reemplazar 31.8 quads de energía. ¿O incluso necesita hacer eso?

¿Podemos reducir la gran energía desperdiciada que se refleja en la caja de energía rechazada? Claro, por eso el mantra es electrifica todo. (Para los quisquillosos, el 'posible' en el mantra es silencioso e implícito, sin mencionar que es mucho más grande de lo que los quisquillosos asumen o desean que sea verdad). El uso de electricidad en motores eléctricos es mucho más eficiente que el uso de gasolina o diésel en automóviles o camiones para ejemplo, unas cuatro veces más eficiente.

Como yo he señaló varias veces, cuando los EE. UU. terminen de fingir que todo el transporte terrestre no será electrificado, más 80% de los requerimientos energéticos para el transporte estará completamente electrificado, incluyendo carril. Con la mayor parte de la aviación nacional, todo el transporte marítimo interior y una gran cantidad de transporte marítimo cercano a la electrificación en las próximas décadas, 21.2 quads de energía rechazada del transporte caerán en picado a quizás 2 quads.

Y, por supuesto, la mayor parte de la electricidad fluirá de la energía eólica y solar directamente a los vehículos conectados a la red y eléctricos a batería, por lo que habrá muchas menos pérdidas por la quema de carbón y gas para obtener electricidad. La energía eólica y solar tienen pérdidas de transmisión y almacenamiento, que son mínimas, mientras que el gas y el carbón desechan el 50 % o más de la energía primaria que contienen, y luego tienen las pérdidas de transmisión y almacenamiento además de eso.

A fines de 2020, señalé que el gurú de la energía favorito de Bill Gates, Vaclav Smil, energía rechazada completamente perdida, ignorándolo en su visión dispéptica publicada de la transición energética. Gates aparentemente ha leído los 38 o más libros de Smil, y eso ha llevado a uno de los hombres más ricos e influyentes del mundo y fundador de Breakthrough Energy Ventures a perder el rumbo de la energía durante más de una década. Solo meses después, a mediados de 2021, Smil finalmente publicó un pieza corta reconociendo la falacia de la energía primaria. Incluso entonces persistió su pesimismo dispéptico. No está claro si las implicaciones de la electrificación se habían asimilado para él, sin importar las legiones de personas como Gates a quienes ha informado mal. Y para ser claros, estoy de acuerdo con Smil en que la transición tomará décadas, solo tengo en mente un número mucho menor de décadas.

La falacia de la energía primaria es generalizada. En el artículo vinculado, la EIA proyecta un aumento de 161 quads de energía a nivel mundial para 2050, principalmente por un mayor uso de combustibles fósiles. Ese titular era de 2017, pero incluso sus proyecciones de 2021 hasta 2050 reflejan un crecimiento masivo de la demanda de energía primaria, cuando sucederá lo contrario. ¿Demanda máxima de carbón a partir de 2013? Pico de demanda de petróleo viene esta década ¿más probable? ¿Pico del gas natural en la próxima década? No según la EIA. Los servicios de energía seguirán creciendo incluso cuando la energía primaria se reduzca. ¿O lo hará?

Los servicios de energía renovable a electrificada estarán bebiendo delicadamente la energía primaria, a diferencia de la desordenada glotonería en torno a la energía que se ve hoy.

Veamos los servicios de energía que destaqué un poco más de cerca. He movido los números del gráfico a una forma tabular para que esto quede un poco más claro.

La calefacción y la refrigeración son los mayores consumos de energía en la categoría residencial, lo que representa 55% de la demanda de energía según el mismo EIA que se confunde con la falacia de energía primaria anterior. La mayor parte es para calentar el edificio y calentar el agua. Eso significa que alrededor de 2.2 quads de los servicios de energía residencial son para calentar aire y agua.

Y el calor es la principal fuente de energía rechazada. Para estos tipos de edificios, la mayor fuente de energía rechazada es el calor residual. Hay soluciones relativamente fáciles para la mayoría de ellos, que se agregarán cada vez más con el tiempo por razones simples de rentabilidad.

¿Por qué es importante tener en cuenta el porcentaje de calentamiento? Las bombas de calor obtienen aproximadamente dos tercios de su energía del medio ambiente y un tercio de la electricidad. Mueven el calor de un lugar a otro, tal como lo hace hoy en día un refrigerador o un acondicionador de aire. Eso significa que 2.2 quads de servicios de energía se reducen a alrededor de 0.7 quads. Eso es 1.5 quads que no tenemos que proporcionar a través de rutas de fuentes de energía primaria. Varias otras cosas significan que la energía desperdiciada en entornos residenciales también disminuirá, principalmente a través de la electrificación continua y más tecnología de estado sólido que reemplaza todo en el hogar. ¿Se puede calentar el agua caliente con una bomba de calor? Sí, sí se puede. Las bombas de calor modernas pueden proporcionar agua a la temperatura del calentador de agua para grifos o calefacción radiante. Un poco más de aislamiento no vendría mal y probablemente se agregará en la conversión a bombas de calor en las próximas décadas para optimizar la economía.

¿Qué pasa con los edificios comerciales? Bueno, la EIA indica que un tercio de toda la energía de los edificios comerciales es para calefacción, sin dividir el agua caliente. Eso sugiere que 1.9 quads de energía se convierten en 0.65 quads de demanda. Espere, la misma fuente dice que la electricidad ya es la fuente de calefacción dominante para los edificios comerciales. ¿Eso importa? No, no lo hace. Los calefactores eléctricos de placa base, los calefactores de aire forzado y los calefactores de agua caliente solo hacen funcionar la electricidad a través de bobinas de resistencia como las de las estufas, lo que significa que una unidad de electricidad se convierte en una unidad de calor, tal como lo hace la quema de gas natural. Las bombas de calor convierten una unidad de electricidad en tres unidades de calor.

¿Industrial? Este es más duro. Una gran cantidad de calor industrial está por encima de los 200° Celsius, el límite razonable actual para las bombas de calor industriales, y muy por encima del límite de 100° para las tecnologías maduras actuales de bombas de calor. ¿Cuánto cuesta? Bueno, el 45% del calor industrial está por debajo de los 200° y el 25% está por debajo de los 100°. Eso significa que con las bombas de calor comercializadas existentes ya podemos abordar 2.1 quads de demanda de calor industrial, convirtiéndola en 0.7 quads. Y con vías técnicas bien entendidas, algo de ingeniería, fabricación y distribución, podríamos abordar 3.8 quads. Ya que estamos hablando del final del juego, usemos el número más grande y mantengamos la relación simplificada de 1 unidad de electricidad por tres unidades de calor. Eso convierte 3.8 quads en 1.3 quads. Gran parte de la energía rechazada es un mal aislamiento, que crea un exceso de calor en un lugar y no lo reutiliza en otro, y crea un exceso de calor que está fuera de la secuencia de tiempo con la demanda en otros lugares. Un mejor aislamiento, fuentes de calor eléctrico que estén más estrechamente integradas con los procesos y, por lo tanto, menos derrochadoras, y algo de almacenamiento térmico también mejorarán la eficiencia allí.

¿En qué se convierte todo esto?

En lugar de 26.2 quads de servicios de energía, 20.5 quads, alrededor de un 38% de reducción en los requisitos de servicios de energía. Y con las energías renovables fluyendo a través de la transmisión y el almacenamiento, los requisitos de energía primaria se desploman de 46.64 quads a 24.6 quads, una caída de alrededor del 47 % en la demanda de energía primaria.

Así que ese es el momento eureka que tuve que se retrasó tanto. Las bombas de calor en realidad reducirían sustancialmente los requisitos del servicio de energía. En lugar de tener que reemplazar todos los servicios de energía, solo tenemos que reemplazar la porción de calor que no podemos obtener del medio ambiente de forma gratuita. Nuestras economías tienen un enorme espacio para aumentar la producción útil sin aumentar los servicios energéticos en absoluto. ¿Crecimiento de la demanda de servicios de 'energía' del 20% para 2050? Ningún problema. 20% de aumento en la energía primaria? Consigue un agarre.

La gran mayoría de estos ahorros masivos de energía implicó la aplicación de tecnologías existentes, que ya son productos básicos a escala. Como generar más electricidad baja en carbono con energías renovables, moverla con HVDC y almacenarla según sea necesario con energía hidroeléctrica de circuito cerrado, no se requiere invención, solo implementación.

Hagamos un cálculo más. Agreguemos el transporte nuevamente a la mezcla. Recuerda, 2 quads rechazaron energía cuando todo lo posible está electrificado. Eso significa alrededor de 8 quads de requisitos de energía primaria. Sumado a los aproximadamente 25 quads de requisitos de energía primaria para servicios de energía comercial, residencial e industrial, eso es alrededor de 33 quads de requisitos de energía primaria. La biomasa debe cambiar a biocombustibles para los segmentos difíciles de descarbonizar de la aviación y el transporte marítimo, pero esos son pequeños segmentos de la demanda total de energía.

Entonces, ¿cuántos quads proporcionan la energía eólica, solar, hidroeléctrica, nuclear, geotérmica y de biomasa a la economía estadounidense en la actualidad? Más de 20. Aproximadamente el 80 % de los requisitos energéticos de una sociedad totalmente electrificada con bombas de calor en todas partes posibles ya existen. La electrificación y las bombas de calor reducen radicalmente la necesidad de construir nuevas fuentes de energía primaria eólica, solar, nuclear, hidráulica y geotérmica.

¿Es este el resultado probable? No, en absoluto, al menos no en los EE. UU. para 2050. Entre otras cosas, la naturaleza humana se basa en la paradoja de Jevons, por lo que las personas abrirán las ventanas en invierno mientras encienden la calefacción, y arreglar la calefacción industrial enfrenta muchos vientos en contra. Y para ser claros, si bien me siento cómodo con las proporciones de la bomba de calor, estoy moviendo un poco el brazo sobre la energía rechazada restante, por lo que podría ser mayor.

Pero es indicativo de la escala de lo posible, y es probable dónde estarán las cosas en 2100. Está mucho más cerca de la realidad que las proyecciones de aquellos atrapados en la falacia de la energía primaria. Es una clara indicación de que una transición a una economía baja en carbono con todas las mismas comodidades, viajes y similares que tenemos ahora está al alcance de la mano. También es el mejor camino que pueden tomar las economías emergentes desde el principio, del mismo modo que pasaron directamente a los datos y voz inalámbricos, sin pasar por los datos que fluyen a través de los cables en cada hogar y oficina. Ah, ¿y todo ese calor desperdiciado hoy? Está fuertemente correlacionado con las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación del aire perjudicial para la salud también. ¿Cuántas victorias es eso?

Mea culpa: un lector perspicaz notó que transpuse algunos números en una versión anterior de esta evaluación. Terminó siendo casi un lavado en el resultado final, pero el artículo, no obstante, se ha corregido.

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• Fuente: https://cleantechnica.com/2023/03/14/with-heat-from-heat-pumps-us-energy-requirements-could-plummet-by-50/