Energía geotérmica a partir de fuentes termalesanálisis de su rentabilidad en los países atlánticos de la Unión Europea y del Atlántico Norte
- BDELKADER BENMESAUD CONDE, TOURIA
- Fernando Barreiro Pereira Director/a
Universidad de defensa: UNED. Universidad Nacional de Educación a Distancia
Fecha de defensa: 04 de octubre de 2021
- Carlos García-Gutiérrez Fernández Presidente
- Pedro Díaz Simal Secretario/a
- Mireia Piera Carrete Vocal
Tipo: Tesis
Resumen
RESUMEN TESIS DOCTORAL 1 El presente trabajo de investigación presentado en forma de Tesis Doctoral, cuyo título es “Energía geotérmica a partir de aguas termales: análisis de su rentabilidad en los países atlánticos de la Unión Europea y del Atlántico Norte”, está basado en el uso racional y sostenible de las energías renovables, concretamente, en el uso de la energía geotérmica, aprovechando las fuentes termales en desuso o el excedente de balnearios, para enviar agua caliente a través de tuberías hacia zonas de población próximas por medio de una instalación centralizada dentro de la localidad o población, para abastecer de calefacción y agua caliente sanitaria a viviendas e instalaciones del núcleo urbano. MOTIVACIÓN DE LA TESIS La motivación de esta Tesis Doctoral tiene su origen en una serie de hechos estilizados que relacionan el exceso de emisiones de CO2 con cambios medioambientales y la pobreza energética. Se ha verificado que la concentración de CO2 en la atmósfera está aumentando en detrimento del oxígeno. Desde 1975 a 2019 esta concentración ha aumentado en volumen de 330 partes por millón a 415. La atmósfera contiene de forma natural una determinada proporción de CO2, pero se ha observado que las emisiones antropogénicas (causadas directamente por los humanos) se han multiplicado por 2,4 desde 1971 a 2015 hasta ocupar el 76 % del volumen de los gases de efecto invernadero. Sea cual sea la razón, la cuestión es que la atmósfera se está densificando debido muy probablemente al aumento de la concentración de CO2. Se sabe que la Tierra es uno de los pocos planetas de nuestro sistema solar que por diversas causas emite más radiación infrarroja al exterior que la que recibe, pero cuanto más se densifica la atmósfera menos radiación sale al exterior, porque ésta rebota en la atmósfera y vuelve a la Tierra. El efecto que esto produce es un recalentamiento de la superficie del planeta y de las capas bajas de la atmósfera. En este sentido se ha observado que desde 1980 a 2018 la temperatura media en la superficie terrestre se ha incrementado en 1 ºC. Relacionado con este aumento de la temperatura se han observado dos fenómenos: 1) Un aumento del deshielo de los glaciares en general y de los casquetes polares en particular, lo que está ocasionando una paulatina elevación del nivel del mar. De hecho, se conoce que entre 1997 y 2016 el nivel medio del mar en el planeta ha aumentado en 6,3 cm. 2) También se ha comprobado que el aumento de la temperatura hace que se evapore el oxígeno diluido en el mar, de forma que se ha comprobado que entre 1960 y 2010 el porcentaje de oxígeno diluido en los océanos ha disminuido en media un 2 %. El efecto del aumento de concentración de CO2 en la atmósfera tiene otro efecto adicional: se ha comprobado que el mar absorbe el 25 % de las emisiones antropogénicas de CO2. La disolución del CO2 en el agua de mar produce ácido carbónico y de hecho se ha comprobado que entre 1999 y 2019 el pH medio del mar ha descendido desde 8,2 a 7,7 verificándose una cierta acidificación del mar. No conocemos si estas tendencias 2 se mantendrán o no, pero es evidente que todos estos hechos van incidiendo en el clima terrestre y también en la economía y modo de vida humanos. De los 194 países que existen actualmente en el mundo, los nueve que emiten más CO2 a la atmósfera emiten conjuntamente el 67 % del total mundial de las emisiones. En conjunto, el consumo de energía de estos nueve países se compone de un 85 % de energía fósil, un 13 % de energía renovable y un 2 % de energía nuclear. El mayor emisor es China con un 28 % de las emisiones mundiales en 2018, seguido de Estados Unidos con un 15 % de las emisiones, seguido de India con un 7 %, Rusia con un 5 % y Japón con un 3 % de las emisiones mundiales. Sin embargo, un país como Nigeria sólo emite el 0,2 % de las emisiones mundiales de CO2, pero su consumo energético se compone sólo de un 19 % de energía fósil y de un 81 % de energía renovable. Lo mismo ocurre por ejemplo con Islandia, cuyas emisiones de CO2 a la atmósfera suponen el 0,06 % del total mundial y la composición de su consumo energético es de un 22 % de energía fósil y de un 78 % de renovable. La razón es que Nigeria utiliza sobre todo energía hidráulica, mientras Islandia utiliza energía geotérmica, ambas energías renovables y sostenibles. Lo contrario ocurre con China, que utiliza fundamentalmente carbón, o Rusia con gas natural, o Arabia Saudí con petróleo, todas ellas energías fósiles. Parece, al menos a simple vista, que existe una relación entre el uso de energía fósil y las emisiones de CO2 a la atmósfera, así como entre el uso de energía renovable y la disminución de emisiones a la atmósfera. La Unión Europea no es ajena a ello y ha establecido una normativa al respecto, que se relata en la Tesis incluyendo el Pacto Verde Europeo, tal que con estos instrumentos se pueda ser capaz de curvar la trayectoria creciente de las emisiones. OBJETIVO 1 El primer objetivo de la Tesis Doctoral es comprobar teórica y empíricamente la existencia de una relación entre el consumo de energía y las emisiones de CO2 a lo largo de veinte países. DESARROLLO TEÓRICO Y APLICACIÓN EMPÍRICA 1 El objetivo de esta parte de la Tesis es analizar en qué medida el exceso de emisiones de CO2 está asociado directamente al consumo de energía, o bien se debe a la existencia de imperfecciones en los procesos productivos de bienes y servicios. Para efectuar este análisis se ha llevado a cabo una especificación microeconómica cuya aplicación se ha efectuado en el período 1995-2015 sobre 5 países de la Unión Europea más 15 países del resto del mundo que, en total, suponen el 61 % de la población mundial. Los 20 países seleccionados pertenecen a bloques económicos consolidados: por parte de la Unión Europea figuran Irlanda, Francia, Alemania, España y Portugal. Otros países europeos no perteneciente a la UE son Islandia y Reino Unido. Por parte de los países BRICS figuran India, China, Rusia, Brasil y Sudáfrica; Otros países asiáticos que figuran 3 son Indonesia, Japón, Arabia Saudí e Irán; Otros países americanos son Estados Unidos y México; y finalmente en la muestra hay otros países africanos como son Nigeria y Marruecos. La aplicación se ha llevado a cabo con datos de la Agencia Internacional de la Energía (International Energy Agency, 2019) y se han utilizado técnicas econométricas que incluyen datos de panel, estacionariedad y causalidad. Los resultados indican que: 1) en efecto existe una relación entre el consumo energético y las emisiones de CO2, relación que además es causal. Y 2) Que en general, son las imperfecciones en los procesos productivos las que contribuyen a las emisiones de CO2 en mayor grado que el consumo de energía, lo que sugiere el deber de mejorar estos procesos productivos, además de tratar de ser eficientes en el consumo energético. Pero mientras que habitualmente los consumidores no pueden modificar directamente las emisiones originadas en los procesos productivos de bienes y servicios, sí pueden directamente actuar sobre las emisiones causadas por su consumo doméstico de energía, ya sea reduciendo el consumo o utilizando tecnologías capaces de reducir las emisiones. Globalmente las tres cuartas partes del consumo doméstico de energía tienen origen en el consumo de calefacción, refrigeración (climatización) y agua caliente sanitaria. OBJETIVO 2 Seleccionar sistemas energéticos sostenibles y poco emisores para su uso en el consumo doméstico, en especial en calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria, comprobando después su rentabilidad social y económica a lo largo de nueve países. DESARROLLO TEÓRICO Y APLICACIÓN EMPÍRICA 2 Previamente se han analizado las diversas opciones energéticas con sus ventajas e inconvenientes medioambientales además de su impacto económico, estudiando las diversas energías fósiles, así como también las energías renovables, además de la nuclear. En esta Tesis también se han estudiado las emisiones causadas por todos estos tipos de energía, así como también los últimos avances tecnológicos que incorporan. A resultas de esto y teniendo en cuenta sus emisiones y coste económico se han seleccionado, para ser comparados, cuatro posibles sistemas energéticos para el consumo doméstico, susceptibles de ser empleados en calefacción y agua caliente sanitaria. Tres de estos sistemas están basados en la utilización de energía geotérmica, de los cuales dos se aprovisionan de aguas termales. Estos últimos podrían ser utilizados en zonas y municipios próximos a la localización de manantiales de agua con suficiente temperatura y caudal. El cuarto sistema está basado en gas natural y paneles solares térmicos. Para los cuatro sistemas se ha propuesto un sistema de distribución de agua caliente centralizado (District Heating) con objeto de disminuir costes. Adicionalmente se ha realizado un estudio de las fuentes termales y balnearios de los países de la muestra, susceptibles de ser utilizados 4 en los sistemas de aguas termales propuestos. En concreto, los sistemas energéticos seleccionados son los siguientes: 1) Uso directo de aguas termales sin prospección, con temperatura incrementada mediante una bomba de calor eléctrica. 2) Energía geotérmica con prospección y temperatura de agua incrementada mediante una bomba de calor eléctrica. 3) Uso directo de aguas termales sin prospección, con temperatura incrementada mediante una caldera de biomasa y 4) Uso de gas natural incrementando la temperatura del agua mediante paneles solares térmicos. El contraste de estos cuatro proyectos energéticos se ha llevado a cabo en nueve de los veinte países de la muestra a lo largo de un ciclo vital de 25 años a partir de 2018. Estos países son: cinco pertenecientes actualmente a la Unión Europea: Alemania, Francia, Portugal, Irlanda y España; otros dos países son europeos pero extracomunitarios: Islandia y Reino Unido; además también se considera un país con el que la Unión Europea mantiene una política de vecindad: Marruecos; y por último también se analiza la rentabilidad de estos sistemas en Estados Unidos, como país de referencia. Para la evaluación de la rentabilidad social se han utilizado las técnicas del análisis coste-beneficio, haciendo especial hincapié en el efecto de las externalidades negativas causadas por las emisiones de CO2 provenientes del consumo energético de cada uno de los cuatro sistemas. Bajo ciertas especificaciones microeconómicas se ha estimado las variaciones del bienestar de consumidores y productores mediante el cálculo de los respectivos excedentes netos, encontrando variaciones positivas y diversos grados de rentabilidad social en los países de la muestra, para los cuatro sistemas propuestos. Finalmente se concluye con un análisis económico-financiero sobre estos sistemas en cada país. CONCLUSIONES Partiendo de la normativa de la Unión Europea para el control de las emisiones de CO2, en esta Tesis Doctoral se ha realizado una especificación microeconómica cuya aplicación econométrica ha venido a demostrar la existencia de una relación entre el consumo energético y las emisiones de CO2. La aplicación se ha realizado para el periodo 1995-2015 sobre los siguientes veinte países: Irlanda, Francia, Alemania, España, Portugal, Islandia, Reino Unido, India, China, Rusia, Brasil, Sudáfrica, Japón, Arabia Saudí, Irán, Estados Unidos, México, Nigeria y Marruecos. En particular, los resultados del análisis indican que para los países de la muestra y en el año 2015: 1) Estados Unidos, Arabia Saudí, China, Portugal, Islandia, España, Francia e India no tienen suficientes incentivos para reducir las emisiones de CO2 porque la aplicación para esos países ha demostrado que su uso de la energía ya es eficiente. 2) Aun así, Estados Unidos, Arabia Saudí, China, España, Francia e India deben disminuir las emisiones de CO2 provenientes de la producción de bienes y servicios, aunque su uso de la energía ya sea eficiente. 3) África del Sur debe reducir las emisiones de CO2 provenientes de sus procesos productivos, porque 5 el uso actual que hace de la energía no es eficiente y podría mejorar la eficiencia implementando mejoras en los procesos de producción de bienes y servicios. 4) Irlanda, Rusia, Japón, Alemania, Irán, Reino Unido, Brasil, Marruecos, Indonesia, Nigeria y México debieran reducir las emisiones de CO2 provenientes del consumo de energía o mejorar los sistemas de consumo energético. Como quiera que el consumidor sólo puede controlar su consumo doméstico de energía, siendo la mayor parte de este consumo el dedicado a calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria, se han seleccionado para ello cuatro sistemas renovables y sobre ellos se ha realizado un análisis coste-beneficio para compararlos y evaluar su rentabilidad social. Seguidamente se ha realizado un análisis económico-financiero sobre la misma muestra de sistemas energéticos y países para evaluar la rentabilidad económica de los proyectos de energía propuestos. En concreto, los sistemas energéticos que se han comparado son los siguientes: 1) Uso directo de aguas termales sin prospección, con temperatura incrementada mediante una bomba de calor eléctrica. 2) Energía geotérmica con prospección y temperatura de agua incrementada mediante una bomba de calor eléctrica. 3) Uso directo de aguas termales sin prospección, con temperatura incrementada mediante caldera de biomasa y 4) Uso de gas natural incrementando la temperatura del agua mediante paneles solares térmicos. Los países en los que se han comparado los cuatro sistemas son: Alemania, Francia, Portugal, Irlanda, España, Islandia, Reino Unido, Marruecos; y Estados Unidos. Los resultados del análisis coste-beneficio indican que, para todos los sistemas energéticos comparados, los excedentes sociales del consumidor y productor resultan positivos, existiendo por tanto en su posible uso potenciales incrementos del bienestar de los consumidores y empresas suministradoras a lo largo del ciclo vital de 25 años considerado. Los resultados también indican que los cuatro sistemas energéticos propuestos son socialmente rentables en Alemania, Estados Unidos e Islandia. En Irlanda, Portugal y España el uso de energía geotérmica con prospección y temperatura de agua incrementada mediante una bomba de calor eléctrica no resulta socialmente rentable, pero en estos tres países el resto de los sistemas energéticos resultan rentables durante el ciclo vital considerado. En el Reino Unido, Francia y Marruecos no resultan socialmente rentables los sistemas que utilizan bombas de calor, pero los dos sistemas restantes resultan ser socialmente rentables en estos tres países. Después se ha efectuado un análisis económico-financiero sobre los cuatro sistemas propuestos en los nueve países infiriéndose que, en promedio, mientras el uso de aguas termales auxiliado con caldera de biomasa resulta ser el sistema socialmente más rentable de los cuatro sistemas propuestos, el sistema basado en aguas termales y bomba de calor resulta ser el más rentable económicamente, siempre que la instalación de ambos sistemas se sitúe en zonas próximas a las fuentes termales suministradoras. El sistema basado en gas natural con paneles solares térmicos es el segundo sistema rentable, tanto socialmente, como económicamente y es el sistema que antes recupera la inversión inicial que hace el hogar o entidad. El sistema que en promedio tiene peor rentabilidad social y económica y además recupera más tarde la inversión inicial es la prospección geotérmica auxiliada con bomba de 6 calor. Los resultados indican que el uso de las aguas termales supondría el 56 % de los sistemas social y económicamente rentables aplicados potencialmente en estos países, mientras que los sistemas que utilizan electricidad, como bombas de calor, son sólo el 36 % de los sistemas social y económicamente rentables de la muestra de estos nueve países. Los análisis efectuados también permiten inferir el poder de mercado de las empresas suministradoras de energía, según cada país, aplicando del índice de Lerner. Según los resultados, las empresas suministradoras de energía eléctrica de Alemania, Portugal, Irlanda y España tienen un fuerte poder de mercado. Por el contrario, el menor poder de mercado de estas empresas parece encontrarse en Marruecos. En relación a las empresas suministradoras de gas natural el mayor poder de mercado se encuentra en España, Portugal y Francia, mientras que el menor poder de mercado parece encontrarse en las empresas suministradoras de gas natural de Reino Unido y Estados Unidos. El análisis realizado sostiene empíricamente la propuesta de utilización de las aguas termales como sistema alternativo, social y económicamente rentable, a utilizar para la calefacción y agua caliente sanitaria en viviendas y edificios situados en zonas cercanas a fuentes termales con suficiente temperatura y caudal. Estos resultados sugieren a las administraciones la necesidad de implementar normativas dirigidas a procurar procesos productivos menos emisores a la vez que a impulsar un consumo doméstico de energía más eficiente y menos contaminante. BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA Abosedra, S., & Baghestani, H., 1989. New evidence on the causal relationship between United States energy consumption and gross national product. 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