El cobre para un futuro bajo en carbono

Contribución del cobre a la reducción de emisiones de gas de efecto invernadero

El incremento de secciones transversales en cables, catenarias y en las bobinas de motores y transformadores puede incrementar significativamente la eficiencia energética eléctrica. Incorporar un kilogramo extra de cobre puede ahorrar entre 100 y 7.500 kilogramos de emisiones de gas de efecto invernadero (CO2e). Al mismo tiempo, el ahorro energético logrado, en la mayoría de los casos, permitirá reducir los costes a lo largo del ciclo de vida del sistema.

Todos los conductores de un sistema eléctrico tienen una resistividad incorporada. Esto significa que parte de la energía eléctrica que llevan se disipa en forma de calor, perdiendo energía útil. Generar esta energía eléctrica desperdiciada produce emisiones de carbono y contribuye al calentamiento global.

Una decisión inicial importante, a la hora de tratar de reducir estas pérdidas, consiste en utilizar cobre como conductor.

La diferencia de resistividad entre materiales hace que un conductor de cobre solo alcance el 61% de las pérdidas de un conductor del mismo diámetro en aluminio. Una vez tomada la decisión sobre el cobre, las pérdidas energéticas pueden reducirse más aún incrementando el diámetro del conductor. Si bien esto es algo que no puede incrementarse indefinidamente, lo óptimo, desde el punto de vista medioambiental para motores y transformadores, cables eléctricos y catenarias es un tamaño de conductor significativamente mayor que el estándar actual. Asimismo, incrementar el diámetro, en la mayoría de los casos, reduce el coste del ciclo de vida del sistema.

Esto significa que invertir en nuevos materiales conductores de cobre tiene sentido desde un punto de vista medioambiental y económico.

Los siguientes ejemplos describen cómo incrementar el diámetro del conductor de cobre puede suponer una reducción de las emisiones de carbono:

Un motor de inducción de 15 kW puede ahorrar 15.320 kg de emisiones de carbono a lo largo de su vida útil

Un motor de inducción con un en baja tensión de 15 kW puede servir para bombear agua, alimentar un compresor de aire o accionar un sistema de ventilación. Incrementar la eficiencia del motor de un 89,4% hasta un 91,8% requiere un aumento del contenido de cobre de 8,3 a 10,3 kg. Si asumimos que el motor tiene una vida útil estimada de veinte años y una carga media del 50% en 6.000 horas al año, la herramienta de eco-diseño calcula una reducción de la emisión a lo largo de la vida útil de 15.320 kg de CO2e, utilizando el mix energético medio de la UE. Esto supone una reducción de CO2e de 7.660 kg/por kg de cobre adicional.
Los mix eléctricos nacionales influyen significativamente en esta cifra. En Francia, donde predomina la energía nuclear, la reducción de emisiones es de 1.550 kg CO2e/kilo de cobre, mientras que en Polonia, donde la electricidad se genera fundamentalmente en centrales térmicas de carbón, la reducción de emisiones sería de 15.980 kg de CO2e/kg cobre a lo largo de la vida del motor.

Un transformador de 1,6 MVA puede ahorrar 1.023 kg de emisiones de carbono por kg de cobre

Los transformadores refrigerados por aceite se emplean para conectar plantas industriales a la red pública de alto o medio voltaje. Pasar de un transformador de clase AA a uno de clase CC, o a uno de núcleo de hierro amorfo supone un incremento del contenido en cobre de 220 y 720 kg respectivamente. Si contamos con una vida útil de treinta años y una carga media del 50% a lo largo de 8.760 horas al año, la herramienta de ecodiseño calcula una reducción de las emisiones a lo largo de su vida, con el mix de electricidad de la UE, de 1.023 kg CO2e/kg de cobre para el transformador CC y de 550 kg de CO2e/kg de cobre para el transformador de núcleo amorfo.

El cableado eléctrico utilizado en la construcción de pequeños edificios de oficinas puede reducir las emisiones de carbono en 6.000 kg

Utilizando un software común de diseño de cables, para los circuitos al uso en edificios pequeños de oficinas (~1000 m2) se obtiene un contenido en cobre de 32,5 kg. Aumentando justo una medida la sección de dichos cables,  se logran reducir las emisiones de carbono, con el mix eléctrico de la UE, en 6.000 kg a lo largo de la vida útil de los cables. Tal aumento de sección conlleva un incremento en el uso de cobre, sean 52,2 kg. Dividiendo se obtiene un ratio de  400 kg CO2 evitado por cada kg de cobre adicional. Si se buscase el óptimo económico sobre el ciclo de vida, los diámetros serían aún mayores y el uso de cobre se incrementaría hasta los 114 kg. La reducción de las emisiones de dióxido de carbono, en comparación con el caso base, sería de 11.100 kg a lo largo de la vida de los cables, es decir 137 kg CO2 evitados por kg de cobre adicional.

El caso más económico requiere un incremento significativo del diámetro y supone una huella de carbono cercana al nivel óptimo.

Las catenarias de los ferrocarriles holandeses podrían ahorrar 93 kg de emisiones de carbono por kg de cobre

El sistema ferroviario holandés utiliza una alimentación en corriente contiua a una tensión de 1,5 kV. Aumentando el diámetro de sus catenarias de 500 a 800 mm2 generaría un uso adicional de cobre de 2.670kg/kilómetro de vía. Este incremento supondría una reducción importante de las pérdidas en las catenarias, 488 MWh a lo largo de la vida del sistema , calculado sobre en base al tráfico ferroviario medio de la red holandesa.. La herramienta de eco-diseño calcula, con el mix eléctrico de la UE, una reducción de las emisiones de carbono a lo largo de la vida útil de 93 kg de CO2 por kg de cobre adicional.

Pay-back medioambiental por diferentes vías

Como ilustran todos estos ejemplos, la reducción de las emisiones de carbono es muy elevada para dispositivos con tasas de utilización elevadas y en países con una cuota alta de combustibles fósiles en su mix de generación. No obstante, incluso en aquellos sistemas en los que la demanda a lo largo de la vida útil es menor, el ahorro sigue siendo sustancial.

Por lo que respecta a la producción del cobre, se emiten cerca de 3 kg de CO2 durante las operaciones de extracción minera y procesamiento por cada kg de cobre [1]. Esto significa que para calcular el pay-back medioambiental, habrá que dividir los kg de CO2 evitados por un factor 3.

En resumen, el ahorro de emisiones de carbono a lo largo de la vida y los correspondientes factores de retorno medioambiental por cada kg adicional de cobre son:

Aplicación Reducción de
emisiones de CO2e
Pay-back medioambiental
Catenaria 75 a 100 kg 25 a 33
Cableado para
edificio de oficinas
100 a 400 kg 33 a 133
Transformers 500 kg 166
Motores eléctricos 3,000 a 7,500 kg 1,000 a 2,500

Otro beneficio ambiental importante es su capacidad de reciclado al 100% sin pérdida de propiedades, llegado el fin de vida útil del dispositivo. Si bien el aluminio también es reciclable, las limitaciones propias del proceso impiden que se pueda reciclar en nuevos conductores; lo habitual es utilizar aluminio primario.

Resumen

Incrementar el diámetro de un conductor de cobre reduce las emisiones de CO2. Entre las ventajas asociadas, se incluye una elevada tasa de retorno (payback) medioambiental, una reducción de los costes del ciclo de vida y un 100% de capacidad de reciclado al final de la vida útil.

Referencias

[1] ECI, 2006, www.copper-life-cycle.org

[2] EPD, May 2000, Product Specific Requirements for Rotating Electrical Machines, disponible en www.environdec.com

[3] European Commission – DG TREN, 1999, Save: Technical, economical and cost-benefit analyses of energy efficiency improvements in industrial three-phase induction motors

[4] THERMIE, December 1999, THERMIE STR-1678-98-UK: the Scope for Energy Saving in the EU through the Use of Energy-Efficient Distribution Transformers,disponible en www.leonardo-energy.org

[5] Leonardo ENERGY, R. Targosz (ed) et al, February 2005, Global energy savings potential from high efficiency distribution transformers, disponible en www.leonardo-energy.org

[6] Frederik Groeman, July 2000, Optimal reduction of energy losses in catenary wires for DC railway systems, ref 98430138-TDP 00-12709, disponible en www.leonardo-energy.org

[7] Frederik Groeman, November 2001, Benefits of upgrading the overhead line of a DC railway line in the Netherlands – a simulation case study, disponible en www.leonardo-energy.org