Comunicación presentada al VII Congreso Smart Grids
Autor
- Jorge Sánchez Cifuentes, CSV y Economía Circular, e-distribución
Resumen
En el artículo se presenta la red de e-distribución con sus más de 316 mil kilómetros de líneas desde un punto de vista diferente al convencional y se resuelven preguntas básicas desde el concepto de la minería urbana, tales como ¿Cuánto pesa la red de distribución?, ¿Qué materiales la componen? ¿Cuánto material generamos como residuo derivado de las operaciones de la evolución de la red? y ¿Cuál es el destino final de los residuos? Entendiendo el ciclo completo de los materiales podremos avanzar en la aplicación de la Economía Circular en el ámbito de la distribución eléctrica. El objetivo es definir y sustentar un nuevo concepto que hemos denominado GRID MINING estableciendo sus particularidades como la composición de su veta y flujo de materiales, y que tendrá un impacto significativo en las empresas y en su entorno.
Palabras clave
Grid Mining, Economía Circular, reciclado Metales, retención de valor, minería urbana.
Introducción
Desde el final del neolítico y con el comienzo de la edad de los metales el hombre comenzó con la extracción de metales de la tierra. En estos más de 7.000 años de extracción, se calcula que ya tenemos más metales fuera de la tierra que en el subsuelo a una distancia económicamente viable.
Sin embargo, con las nuevas tendencias de Economía Circular, donde se promueve la adopción de ciclos naturalistas en los que al final de la vida útil de un bien, éste se tiene que convertir en el inicio o alimento de la etapa siguiente, se pretende romper el uso lineal de los materiales y racionalizar su uso.
Estos dos hechos han empujado la creación del concepto de Minería Urbana, es decir, considerar los asentamientos urbanos como una mina a nuestra disposición de la que podemos aprovechar los recursos y materiales existentes al final de la vida útil de los productos, evitando así en lo posible la extracción de nuevos recursos. Productos similares a los que estamos desechando hoy por obsolescencia en los vertederos cobran de nuevo un valor. Este concepto cada vez está ganando más importancia a nivel mundial como se puede comprobar en una búsqueda simple en la herramienta Ngram de Google (Figura 1) el gran incremento de apariciones desde el año 2010
Las ventajas del concepto de la Minería Urbana son múltiples, además del trivial de retener el valor del producto previamente extraído. Resulta clave la ventaja que supone que la energía necesaria para reciclar muchos materiales, y en concreto los metales, es menor que la necesaria para su extracción y refino. Teniendo en cuenta que las vetas restantes tienen cada vez menor pureza de material y están más explotadas, necesitarán en el futuro más dedicación de recursos para extraer y refinar la misma cantidad de material.
Pero ¿qué es una mina urbana y cómo la definimos? Una mina se puede caracterizar de una forma simple por el tamaño, localización y composición de su veta y por su pureza. Así en la ciudad tendremos áridos, hormigón, hierro, acero, cobre, aluminio, oro, plata, plásticos, etc. y, por los requerimientos de los nuevos productos, cada vez se incluyen más materiales basados en tierras raras.
En este sentido, existen ya diferentes informes sobre el stock y diversidad de materiales disponibles en las minas urbanas y se ha visto que, por ejemplo, con los materiales contenidos en las ciudades de Japón (National Institute for Materials Science, 2008) se podría abastecer varias veces la demanda mundial de las materias primas fundamentales, pudiendo modificarse así la geoestrategia mundial si se tuvieran en cuenta los stocks urbanos disponibles.
En el artículo se estudia la red de distribución para el caso de la empresa e-distribución del Grupo Endesa, con sus más de trescientos mil kilómetros de líneas eléctricas, desde un punto de vista algo diferente al que siempre hemos leído. Además, tratamos de resolver preguntas básicas desde el concepto de la minería urbana sobre ¿Cuánto pesa la red de distribución?, ¿Qué materiales la componen? ¿Cuál es el rendimiento de la mina?, es decir, ¿Cuánto material se genera como residuo derivado de las tareas de operación, mantenimiento y evolución de la red? Y ¿Cuál es el destino final de la chatarra que generamos por estas operaciones? Entendiendo el ciclo de vida completo podremos avanzar en la aplicación de la Economía Circular al negocio de la distribución eléctrica.
En definitiva, el objetivo es definir y sustentar un nuevo concepto que hemos denominado “GRID MINING” estableciendo sus particularidades, entradas y salidas de material, procesos y necesidades de información necesarias y que entendemos tendrá un impacto significativo en las empresas distribuidoras de electricidad y en la economía local donde estamos ofreciendo servicio.
Concepto “Grid Mining”
Grid Mining o Mina de Red es la extensión del concepto de la minería urbana, creado en el contexto de la Economía Circular, aplicado las infraestructuras eléctricas que trata de modelar las características y composición de la veta (en este caso concreto principalmente compuesta de metales, porcelanas y plásticos), de entender cómo se comporta el flujo de materiales primarios en la mina con el objetivo de mejorar la planificación de extracción de materiales y métodos de tratamiento que permitan retener el valor de los materiales de la red de distribución.
Primero, la concentración de materiales en las redes eléctricas tiende a estabilizarse cuando se alcanzan parámetros de calidad y penetración como los que tenemos actualmente en España, teniendo un crecimiento en muchos casos vegetativo, derivado principalmente del aumento de la población y la reposición o renovación de los activos. Si bien es cierto que estamos aumentando la intensidad energética y se están creando nuevos usos de la energía (como por ejemplo el coche eléctrico), podemos ver cómo la Agencia Internacional de la energía prevé crecimientos de demanda casi planos debidos al incremento simultáneo de la eficiencia energética, que contrarresta el crecimiento de la demanda por nuevos usos.Una de las preguntas que podemos plantearnos es ¿Por qué ahora, si las redes eléctricas llevan decenas de años en activo? La respuesta es compleja y multidimensional.
El segundo aspecto a destacar es que la demanda mundial de materias primas no para de crecer y cada vez más las vetas mineras tradicionales tienen menor pureza, son más difíciles de extraer y requieren una mayor cantidad de energía, como recoge (Mudd, 2005) y se muestra en la Ilustración 1. Este efecto hace que la extracción y refino sean cada vez más caros, se necesite más energía y se genere una mayor cantidad de residuos y gases nocivos. Es decir, pese a la mejora tecnológica se hace que cada vez menos competitiva la extracción de metales.
Un caso claro es el aluminio. Como podemos ver en la Figura 3, para producir un kilogramo de aluminio se necesitan 212 MJulios (IRP 2014, del programa de las Naciones Unidas) de energía para ser extraído y procesado, mientras que el consumo energético necesario para su reciclado una vez recolectado es de tan sólo 17,5 MJulios (Kusik & Kenahan, 1978). Es decir, con la energía ahorrada reciclando una lata de aluminio podemos mantener encendida una bombilla de 100 Watios durante casi 4 horas.
Aunque esta diferencia para el acero no es tan significativa, si tenemos en cuenta que la demanda mundial de acero es muy superior a la del aluminio, en términos absolutos su extracción y procesamiento representa la mayor demanda de energía en comparación con todos los metales. Cada año aumenta cantidad de la chatarra que utilizamos para la producción de acero. En 2017 de los 1,69 millones de toneladas producidas a nivel mundial se procesaron en torno a 600 millones de toneladas de chatarra.
De forma similar a la mayor demanda energética necesaria para la extracción, los precios de material reciclado para algunos metales están consiguiendo ser más atractivos, haciendo así que cada vez más se esté concentrando la industria en el reciclado de metales y previendo en algunos casos sustituir la extracción por el reciclado en el horizonte del 2050.
En Europa existe la iniciativa Urban Mining (Urban Mine Platform, 2020), que ha estudiado los recursos existentes en baterías, equipos de electrónica de consumo y vehículos obteniendo el stock, los flujos, precios y materiales contenidos en los equipos en uso, estableciendo un primer caso relevante para la extensión del concepto en Europa.
Pero quizás la dimensión clave es la concienciación de la población en la conservación medioambiental y por el impulso de la Economía Circular en la Unión Europea y los Estados Miembros. Desde hace años estamos viendo como la presión por el reciclaje ha ido en aumento, al igual que la colaboración ciudadana, intentando dar el siguiente salto y avanzar para poder reparar, reusar, refabricar y recuperar completando así las 5 “R” claves para la implantación de la Economía Circular y la disminución de materiales que acaban en los vertederos. La minería urbana puede que sea la última opción en un ámbito global, pero resulta clave en el ámbito de la distribución eléctrica para poder retener el valor de los materiales que conforman la red.
Flujo de materiales
Como hemos visto, una mina se caracteriza por la composición de su veta en cuanto a la pureza del material a extraer, su tamaño y su capacidad de producción. En el caso de la red de distribución, tenemos principalmente metales como materiales constituyentes de los activos en servicio, principalmente: cobre, aluminio y acero.
Cada una de las categorías se podría subdividir en función de cómo tenemos el material en la red y de cómo se genera el residuo, así podríamos tener:
- Cobre: limpio, varillas, pletinas, cable subterráneo o cobre mezclado o en aleaciones como el bronce, recubierto de PVC, como residuo peligros en equipos con aceite, etc.;
- Aluminio: en cables con alma de acero, limpio o recubierto con PVC;
- Acero: por facilidad de análisis, se incluyen los distintos tipos de material férrico como el acero inoxidable, aleaciones, hierro dulce o fundido y chapajos contenidos en la aparamenta eléctrica.
Cada uno de estos materiales tiene su tratamiento de separación específico, clasificación y control de calidad para que se puedan fundir y entrar directamente en una nueva cadena productiva. Como subproductos del proceso se generan plásticos y otros residuos que pueden ser reciclados o valorizados en cogeneraciones. Finalmente, las mermas del proceso que serán los materiales que por sus características o estados deban llevarse a vertedero o destrucción, por su consideración de residuos peligrosos y con el fin de cumplir con los reglamentos de residuos sólidos.
Para caracterizar la Mina de Red es clave conocer tres parámetros que condicionarán su valor: la entrada de materiales a la mina (“inflow”), el tamaño de la mina (“stock”) y la salida o capacidad de producción representada por la cantidad de material que es posible obtener de la mina (“outflow”).
Entradas («Inflow»)
El primer parámetro, quizás es una de las características más distintivas entre la mina de red y la mina tradicional. Mientras que en la Mina de Red aumenta al incorporar nuevos activos a la infraestructura para la ampliación de su capacidad o mejora de calidad, en la mina tradicional la veta suele ser estable en tamaño a lo largo de los años de explotación.
La red de e-distribución (e-distribución, 2020) ofrece servicio de distribución eléctrica en España en 27 provincias de 10 comunidades autónomas, lo que supone llegar a 22 millones de habitantes mediante más de 316 mil kilómetros de líneas, 1.284 subestaciones y casi 127 mil centros de transformación. Como se comunicó a los mercados en el último plan de inversión, e-distribución invertirá en refuerzos de red 2.000 millones de euros en el periodo de 2019-22. Esta inversión está destinada a dar continuidad a la adaptación de las redes a los nuevos escenarios de demanda y se traduce principalmente en la puesta en servicio de nuevas líneas, subestaciones, centros de transformación y equipos de control que se incorporan a los activos existentes, por lo que las inversiones representan la principal entrada de materiales a la mina de red.
A efectos del estudio y simplicidad del artículo, la entrada de materiales es significativamente menor que el stock y similar a la salida de materiales de la mina, por lo que no se profundizará más en su análisis.
Stock
Para conocer el stock de materiales contenidos en la red tendríamos que pesar todos los activos de red y conocer su composición. En principio parece fácil, pero la red de e-distribución (como las de otras empresas de distribución) se ha creado por la concatenación de una serie de redes pioneras que tenían sus propios estándares y fabricantes de equipos que ya no están en el mercado o fabricantes que han cesado su actividad.
Sin embargo, como punto positivo, desde hace relativamente poco tiempo los proveedores de equipos están publicando las Declaraciones Ambientales de Producto (DAP), donde recogen los materiales necesarios para la fabricación de sus equipos, referencias claves para conocer los materiales que integrantes de la red.
En una primera aproximación, para el cálculo del stock se han tenido en cuenta los materiales que componen los siguientes elementos de la red:
- las líneas de distribución, tanto aéreas como subterráneas;
- las torres metálicas en subtransporte y media tensión;
- los transformadores en todos los niveles de tensión;
- las celdas (cabinas, interruptores) de la red de baja y media tensión.
Con estas aproximaciones, el cálculo de los valores de stock de metales de e-distribución a fecha de redacción del artículo arroja un total de 986.655 Toneladas, cuyo desglose en los materiales principales se recoge en la Figura 5.
Entrando en el detalle, e-distribución tiene en servicio activos de más de 25 fabricantes diferentes, con decenas de miles de referencias de productos en diferentes versiones. Por ejemplo, de las casi 276 mil celdas de media y baja tensión existen unos mil modelos diferentes con pesos y composiciones de materiales diferentes. De forma similar, en los transformadores de media-baja tensión, la diversidad de equipos es enorme y por ello se han realizado agrupaciones clústers mediante métodos estadísticos de análisis por conglomerados para aquellas referencias de las que no se dispone de información ambiental del producto o del proveedor, lo que ha permitido asignar pesos y materiales a equipos, permitiendo así calcularlo manteniendo el margen de error acotado.
Se recogen a continuación a modo de ejemplo, los centros de los clústers utilizados y las principales consideraciones que se han realizado en el cálculo del stock actual de la red e-distribución:
Líneas y cables:
- Descomposición en circuitos simples con la distancia 3d, incluyendo las variaciones de terreno, pero sin incluir la flecha del vano de las líneas aéreas;
- Inclusión de la línea de tierra sólo en subtransporte;
- Agrupaciones por sección y tipo de cable asimilándolo a las referencias conocidas (Kg/km mm2).
Torres metálicas: Uso de los valores normalizados (400, 500 y 1.500 daN) como centros de clúster en los casos en que no se tiene información del fabricante:
Transformadores MT/BT: Agrupados por niveles de potencia y 10% de devanado de aluminio y 90% de cobre.
Celdas MT/BT: agrupadas en caso de no tener referencias de fabricantes en su nivel máximo de tensión creando dos clústers de centros de 24 kV y 36 kV.
Como se comentaba anteriormente, no se han tenido en cuenta para este artículo otros materiales como plásticos (carcasas de los 22,5 millones de contadores, aislantes de cables, etc.), porcelanas (principalmente de aisladores en líneas y en transformadores), resinas contenidas en diversos equipos, equipamiento electrónico y de comunicaciones (protecciones, remotas, contadores, etc.), baterías, maderas, y materiales de construcción… por lo que el stock de la mina es en todo caso mayor y mucho más complejo del que aquí se describe, pero se ha preferido mantener una línea argumental que no dificultara la comprensión del concepto de mina de red expuesta en el artículo.
Salidas (“Outflow”)
El tercer parámetro que define la Mina de Red es la salida o la producción de la mina. En el caso de una empresa de distribución eléctrica el residuo no está relacionado directamente con el negocio principal, es decir no se generan residuos en función de los kWh distribuidos, sino que se generan por las actividades propias de mantenimiento, planes de actualización y ampliación y construcción de nueva capacidad de red, además de los casos de catástrofes climáticas o incendios que pueden requerir cambio de infraestructuras.
En e-distribución en 2019 se generaron 55 diferentes tipos de residuos que se pueden clasificar en peligrosos y no peligrosos y agrupar por sus códigos LER (Lista Europea de Residuos). Los residuos metálicos pueden aparecer en ambas clasificaciones, debido a que han podido estar en contacto con algún fluido considerado peligroso, como pueden ser aceites con concentraciones superiores a 50 partes por millón de PCBs, hidrocarburos, etc. En estos casos el material se somete a procesos de lavado y descontaminación antes de que pueda ser apto para ser utilizable.
Como podemos apreciar en el gráfico de la Figura 6, de las 27 mil toneladas de residuos generados, el 90% son residuos de construcción de obra civil y los metales son la menor la menor parte (con algo más de 2.500 toneladas) incluyendo cobre, aluminio, chatarra metálica, contadores mecánicos y metales mezclados.
Conclusiones
Después del estudio de la red de e-distribución desde el punto de vista de los materiales que la conforman, es clave comprender que las empresas de distribución eléctrica no pueden ser una excepción en la aplicación de la Economía Circular y más concretamente de la minería urbana, dado que durante más de cien años han venido construyendo redes que hoy en día tienen una gran capilaridad y que permiten dar una alta calidad de suministro a toda la población. Esta infraestructura eléctrica está compuesta por una gran cantidad de material que mantiene un valor, del que tenemos que ser conscientes y aprovechar al finalizar su vida útil.
Estas redes están formadas en su mayoría por metales (cobre, aluminio, hierro y acero), además de plásticos y cerámicas. Siguiendo las tendencias de nuevas tecnologías, cada vez se incorporan nuevos materiales, alguno de ellos considerados recientemente críticos por la Unión Europea, como el Litio. La relevancia de estas reservas puede tener una gran importancia a futuro si se logran altos porcentajes de reutilización de los materiales.
En e-distribución estamos desarrollando el programa GRID MINING ejecutando una serie de acciones en las distintas etapas de la cadena de valor, encaminadas a la retención del valor del material que conforma nuestra red de distribución. En particular, se valoriza el 100% de los residuos metálicos que se generan, permitiendo un gran ahorro de energía y de emisiones. El reciclaje de las 2.500 toneladas de los residuos metálicos generados en 2019 ha permitido el ahorro de 39 GWh y ha evitado la emisión de 3.834 toneladas de CO2, según los datos de ahorros de energía y de emisiones publicados en (Farrás Pérez, 2020).
Pero el concepto de mina de red va más allá de los metales y de su ciclo de vida, implica encontrar nuevas formas de reutilización de los activos, la extensión de vida útil y la implantación, dentro del marco de implantación de la Economía Circular, de un plan de acciones en cada uno de los pilares, de forma que se permita optimizar los recursos materiales que gestionamos al ofrecer el servicio de distribución de electricidad.
Agradecimientos
En la elaboración de datos y el trabajo dentro de la empresa en la gestión medioambiental, gestión de los residuos y almacenes han trabajado compañeros a los que les agradezco desde aquí su colaboración y sus ideas en el desarrollo del concepto de Grid Mining que ha dado pie a este artículo.
Referencias
- e-distribución. (18 de 09 de 2020).
- Farrás Pérez, L. (24 de 01 de 2020). Las nuevas minas ya no están bajo el suelo. La Vanguardia.
- Kusik, C., & Kenahan, C. (1978). Energy use patterns for metal recycling. Information Circular 8781. Washington DC: US Bureau of Mines.
- Mudd, G. (2005). An Assessment of the Sustainability of the Mining Industry in Australia. EES: Environmental Engineering & Sustainability. Sydney: EES 2005 Conference Proceedings.
- National Institute for Materials Science. (11 de 01 de 2008). Calculating the Scale of the Urban Mines Accumulated in Japan.
- Urban Mine Platform. (18 de 09 de 2020).