INNCOM
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Introducción
Innovación y Competitividad
ESTUDIO DEL ESTADO DEL ARTE: ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Octubre 2016 www.inncom.com.mx
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Introducción
ÍNDICE PG/
CAP. 1
Introducción
03
CAP. 2
Objetivo
06
CAP. 3
Resultados Obtenidos 3.1 Resultados Generales 3.2 Tendencias tecnológicas 3.3 Generación de energía solar fotovoltaica a gran escala
08 09 20 25
CAP. 4
Panorama Internacional del Mercado de Energía Solar Fotovoltaica 4.1 Situación en México
29
Conclusiones
39
Anexo l: Metodología
43
Anexo ll: Patentes
45
Referencias
50
CAP. 5
37
CAP. 1
Introducción
CAP. 1 INTRODUCCIÓN
4
Introducción
1— INTRODUCCIÓN El uso descontrolado de combustibles fósiles para la producción de electricidad ha provocado problemas de salud, lluvia ácida y aumento de concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. Lo anterior, debido a las emisiones de gases de efecto invernadero que provocan su explotación. Con el fin de reducir estas emisiones, el uso de fuentes de energía sostenibles ha sido investigado en los últimos años, como es el caso de las tecnologías solares. Los sistemas de energía solar, tecnología dirigida a la conversión directa de energía proveniente del sol, han sido un tema de interés durante los últimos años. El uso de esta energía renovable ha ido en aumento gracias a los avances tecnológicos en la captación y conversión de energía, ocasionando que la tecnología tenga una mayor viabilidad comerciali. Actualmente, existen dos formas para la producción de electricidad por medio de energía solar: la energía solar fotovoltaica, la cual cuenta con una eficiencia de conversión de energía de alrededor del 20%, y la energía solar térmica, la cual cuenta con una eficiencia cerca del 80%. La energía fotovoltaica consiste en la transformación directa de la radiación solar en electricidad mediante un dispositivo semiconductor conocido como celda fotovoltaica y es considerada la energía renovable con mayor potencial de crecimiento. Actualmente más de 100 países se encuentran en constante uso de esta fuente, en los cuales figuran China, Alemania, Japón y Estados Unidos. La energía fotovoltaica se utiliza principalmente para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución y abastecer viviendas. En la actualidad existen tres generaciones de celdas fotovoltaicas. Las celdas fotovoltaicas elaboradas a partir de silicio monocristalino o policristalino son llamadas celdas de primera generación; éstas dominan el mercado de celdas solares debido a que su eficiencia de conversión alcanza hasta el 24.7% cuando es elaborado con silicio cristalino. El proceso de fabricación de este tipo de celdas solares es complejo, involucra etapas costosas y la energía que produce no compite con las fuentes de energía tradicionalesii. Estas desventajas han ocasionado que investigadores exploren nuevas alternativas en materiales para la generación de energía solar como películas delgadas exentas de silicio, fabricadas con celdas y módulos de teleruro de cadmio (CdTe), cobre-indio-galioselenio (CIGS), arseniuro de galio (GaAs) y silicio amorfo (a-Si). Este tipo de películas comprenden las celdas fotovoltaicas de segunda generación y alcanzan eficiencias hasta del 20.3%. Posteriormente surgieron las celdas fotovoltaicas de tercera generación en las que se utilizan materiales orgánicos, plásticos, concentrados fotovoltaicos y celdas de multi-unión que pueden tener eficiencias de conversión de energía de hasta el 12% para celdas PV orgánicas y eficiencias superiores al 42.3% para ciertas celdas solares de multi-unióniii. Según el estudio de REN 21 (Renewable Energy Policy Network for the 21st Century)iv el mercado de energía solar fotovoltaica ha experimentado un crecimiento histórico en el 2015, con un crecimiento de nueva capacidad fotovoltaica del 25%, con respecto al 2014, lo que corresponde a 50 GW, o el equivalente a 185 millones de paneles solares, alcanzando en el 2015 una capacidad instalada de 227 GW. Su mercado anual es aproximadamente diez veces más grande que la capacidad acumulada en la última década. Lo anterior, muestra el interés de los gobiernos y empresas en el establecimiento de este tipo de sistemas, por lo que se espera que el mercado y las instalaciones crezcan durante los próximos años. Dicho crecimiento se encuentra relacionado a nuevas investigaciones y desarrollos para mejorar las características
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Introducción
y funciones de los sistemas fotovoltaicos actuales o crear nuevos componentes, como celdas fotovoltaicas mejoradas, recubrimientos, transformadores, etc., que puedan atacar las desventajas de estos sistemas, con respecto a las energías no renovables. Por lo anterior, en este reporte se presentan los últimos desarrollos y las principales tendencias tecnológicas en el tema de energía solar fotovoltaica de los últimos años.
CAP. 2
Objetivo
CAP. 2 OBJETIVO
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Objetivo
2— OBJETIVO El objetivo del estudio es identificar las principales tendencias tecnológicas involucradas en la investigación y desarrollo de energía solar fotovoltaica, mediante la elaboración de un estudio del estado del arte en patentes. Los objetivos específicos son: Identificar los principales solicitantes de patentes; Determinar la tendencia de aplicación y publicación de patentes; Identificar las oficinas de patentes con mayor número de solicitudes y publicaciones; Identificar las principales tendencias tecnológicas en el tema de energía solar fotovoltaica; Conocer la situación actual de la generación de electricidad en energía solar fotovoltaica a gran escala; y Conocer el panorama actual del mercado de energía solar fotovoltaica.
CAP.3 RESULTADOS OBTENIDOS
CAP. 3 Resultados Obtenidos
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Resultados Obtenidos
3— RESULTADOS OBTENIDOS El análisis de tendencias tecnológicas se llevó a cabo mediante la búsqueda de información relevante en patentes. La búsqueda de patentes se realizó en los bancos de información de los documentos en trámite o ya otorgados de Estados Unidos, la Unión Europea, y diferentes bancos de datos de países como Japón, China, Taiwán, Canadá, entre otros; utilizando el software de Thomson Innovation. Dentro de este capítulo, se presentan las tendencias en aplicación y publicación de patentes relacionadas al tema, así como las principales oficinas de patentes con el mayor número de solicitudes. También, se presentan cuáles son las empresas más importantes en el mundo en el desarrollo de celdas o paneles solares fotovoltaicos. Asimismo, el capítulo presenta una clasificación de las patentes de acuerdo al concepto inventivo que reclaman. Con esto, se puede observar cuáles son las tecnologías que se han desarrollado y cuáles están emergiendo, para así poder definir cuál es el panorama de las tecnologías actual.
3.1 - RESULTADOS GENERALES En la búsqueda realizada del año 2013 a la fecha se obtuvieron un total de 19,975 patentes para el tema de energía solar fotovoltaica. Dichos documentos abarcan todas las solicitudes presentadas por los diferentes reclamantes alrededor del mundo. Esto quiere decir que la misma invención puede ser aplicada en más de un país y/o se patentan las continuas mejoras de dicho documento conforme pasan los años. De los 19,975 documentos denominadas “Universo” se realizó un análisis para hacer una depuración de patentes y seleccionar los documentos que representan al resto de las invenciones con la misma información. Este análisis arrojo un total de 12,803 patentes denominadas “Concepto Único”. Lo anterior se muestra en la Figura 1. Figura 1. Número de patentes de universo y conceptos únicos de energía solar fotovoltaica
UNIVERSO 19,975
CONCEPTOS 12,803
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Resultados Obtenidos
Para términos de este reporte se utiliza el concepto “Año de aplicación”, como el año de presentación de una solicitud en una determinada oficina de patentes, a partir de la cual estará protegida la invención si ésta se aprueba y se publica. “Año de publicación” es el año en el que se publica la solicitud de patente, y generalmente ocurre 18 meses después de la fecha de aplicación. A partir del universo de patentes, se presenta en la Figura 2 la tendencia de solicitud y publicación de patentes referente al tema de paneles solares fotovoltaicos. Se puede apreciar que la tendencia de aplicación se encuentra descendiendo. En el 2013 se presentó la mayor cantidad de aplicaciones con 7,493 documentos; sin embargo, a partir de este año, las aplicaciones han descendido, alcanzando en el 2015, 5,102 invenciones. A pesar de esto, las publicaciones han seguido una tendencia ascendente, alcanzando en el 2015 un total de 7,381 documentos publicados. Esto quiere decir que han disminuido las solicitudes de patentes, pero se han estado aprobando aquellas solicitadas anteriormente. Si durante los próximos años las aplicaciones siguen esta misma tendencia, se espera que la publicación de documentos disminuya. * Los resultados del 2016 no son representativos, debido a que es el año sigue en curso.
Figura 2. Aplicación y publicación de patentes por año en el período 20013-2016
8,000 Número de patentes
7,000 6,000 5,000 4,000 3,000 2,000 1,000 2013
2014
2015
2016
Año de Aplicación / Publicación Año de Aplicación
Año de Publicación
La investigación a nivel mundial arroja las principales empresas en el campo dedicadas a la energía solar fotovoltaica. A partir de los documentos encontrados en la rama de Conceptos Únicos, se hace un análisis y posteriormente se muestra a las empresas líderes en investigación y desarrollo, junto con el número de patentes publicadas, así como el principal enfoque de sus patentes publicadas. En la Tabla 1 se muestran las diez empresas que tienen el mayor número de documentos relacionados con el tema.
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Resultados Obtenidos
Tabla 1. Principales solicitantes de patentes en conceptos únicos
Empresa
STATE GRID CORP CHINA
COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE
FIRST SOLAR
INTERNATIONAL BUSINESS MACHINES CORP.
MITSUBISHI ELECTRIC CORP
No. de patentes
Descripción
267
State Grid es la empresa más grande de servicios eléctricos en el mundo. Sus principales áreas de trabajo son la transmisión y distribución de electricidad en China y en los mercados extranjeros
• Control, monitoreo y pruebas de celdas fotovoltaicas. • Detalles mecánicos de los paneles, incluyendo recubrimientos antireflectivos y vidrio de protección. • Sistemas de interconexión y transferencia de energía.
94
CEA es una organización de investigación pública financiada por el gobierno francés; sus principales áreas de enfoque son el sector de energía, defensa, seguridad, tecnologías de información y salud
• Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de energía. • Dispositivos semiconductores. • Procesos de multipasos para la manufactura de dispositivos electrónicos.
85
First Solar es una manufacturera de sistemas fotovoltaicos de módulos de capa fina, paneles solares y proveedor de plantas de energía fotovoltaicas. Además, ofrece servicios de apoyo que incluyen finanzas, construcción, mantenimientos y reciclaje de paneles.
• Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de energía. • Dispositivos semiconductores. • Procesos de multipasos para la manufactura de dispositivos electrónicos.
83
IBM fabrica y comercializa hardware, middleware y software. Ofrece alojamiento y servicios de consultoría en áreas desde computadoras hasta nanotecnología. Asimismo, sostiene el record de mayor número de patentes generadas por 23 años consecutivos.
• Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de energía. • Tecnologías de deposición de semiconductores. • Celdas solares fotovoltaicas y procesos de manufactura.
66
Una empresa dedicada a la fabricación de productos electrónicos y equipos eléctricos. Una de las mayores productoras de paneles solares fotovoltaicos en el mundo.
• Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de energía. • Paneles de colector solar para dispositivos híbridos. • Procesos de multipasos para la manufactura de dispositivos electrónicos
Tecnologías
12
Resultados Obtenidos
Empresa
WUXI TONGCHUN NEW ENERGY TECH
SUNGROW POWER SUPPLY CO LTD
CHANGZHOU TRINA SOLAR ENERGY
CHENGDU JUHE TECHNOLOGY CO LTD
SUNPOWER CORP
No. de patentes
Descripción
64
Empresa de alta tecnología especializada en I+D, producción, venta y servicio de post-venta de inversores de conexión a red de sistemas fotovoltaicos. Actualmente, sus inversores ofrecen una eficiencia de conversión del 97.8%.
58
Sungrow es un proveedor de tecnología, especialmente en inversores de sistemas fotovoltaicos y equipos de almacenamiento de energía para diferentes plantas de energía en los sectores residenciales, comerciales y nivel de servicios públicos.
• Dispositivos para la aplicación de sistemas híbridos (ej. Solar-eólica) para la generación de energía. • Invenciones relacionadas a arreglos de circuitos para la distribución de energía. • Convertidores DC-AC.
La compañía se dedica a la energía solar y desarrolla y produce lingotes, obleas, celdas o módulos solares. En el 2014 produjo un total de 3.66 GW, convirtiéndola en el principal proveedor mundial de módulos solares.
• Detalles mecánicos de celdas solares fotovoltaicas en estructuras de techo, así como detalles de las cajas de conexión, disposiciones de refrigeración y reparación de celdas o módulos. • Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de energía. • Detalles de celdas y paneles solares.
57
Tecnologías • Colectores de radiación solar para celdas fotovoltaicas. • Detalles mecánicos de los panales, incluyendo recubrimientos antireflectivos y vidrio de protección. • Detalles mecánicos de celdas solares fotovoltaicas en estructuras de techo, así como detalles de las cajas de conexión, disposiciones de refrigeración y reparación de celdas o módulos.
54
Información no disponible.
• Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de energía. • Concentradores de radiación solar para celdas fotovoltaicas. • Colectores de radiación solar para celdas fotovoltaicas.
52
Empresa dedicada al diseño y manufactura de celdas fotovoltaicas de silicio cristalino de alta calidad, tejas y módulos fotovoltaicos, basado en una tecnología de silicio.
• Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de energía. • Concentradores de radiación solar para celdas fotovoltaicas. • Celdas fotoeléctricas.
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Resultados Obtenidos
En la Tabla 2, se muestran los principales solicitantes en el universo de patentes, en la cual se aprecian diferentes empresas líderes en el tema de interés. Se muestran ambos resultados con el propósito de mostrar que hay empresas, sociedades o investigadoras independientes que han patentado sus invenciones en diversos países o aplican constantes mejoras de las mismas. Las patentes tienen validez territorial, es decir, sólo se encuentran protegidas en el país donde se presenta, por lo tanto, se debe presentar en todos los países donde se desea proteger el uso exclusivo de la patente. Las compañías que están protegiendo una sola invención en diversos países o se encuentran modificando alguna generan un nuevo documento, con lo que se concluye que la patente dio origen a un producto o tecnología que se ha introducido al mercado o que resulto ser bastante exitosa. Tabla 2. Principales solicitantes de patentes - Universo
Empresa
Número de patentes
COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE STATE GRID CORP CHINA FIRST SOLAR INC IBM DOW GLOBAL TECHNOLOGIES LCC SUNPOWER CORP SOLEXEL INC 3M INNOVATIVE PROPERTIES CO MITSUBISHI ELECTRIC CORP CENTRE NAT RECH SCIENT
331 300 254 209 193 172 132 128 102 100
De la tabla anterior, se puede apreciar que Commisariat Energie Atomique o CEA presenta 94 patentes como conceptos únicos y 331 documentos en el universo, es decir un número casi 4 veces mayor. De acuerdo a estos indicadores se puede inferir que dicha institución pública tiene una mayor cantidad de tecnologías disponibles a nivel global. Por otro lado, State Grid Corp China tiene 267 documentos denominados conceptos únicos y 300 documentos en el universo. Esto quiere decir que es una compañía que se ha dedicado a generar conocimiento y desarrollos relacionados con el tema, pero poco de ellos han sido protegidos en diversos países. Como se mencionó anteriormente, las patentes son territoriales, es decir, que únicamente en el país donde se solicita la patente se cuenta con dicha protección, y no garantiza protección industrial en otros países. Es por ello, que cuando una tecnología es innovadora y cuenta con potencial de comercialización, los solicitantes buscan la protección en diferentes regiones, para asegurar sus derechos como inventores de la tecnología. Cada país cuenta con su oficina de patentes, por ejemplo, las patentes que se desean proteger en Estados Unidos se solicitan ante la USPTO (United States Patent and Trademark Office), en México sería ante el IMPI (Instituto Mexicano de la Propiedad Intelectual). Sin embargo, existen oficinas internacionales como la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (OMPI) y la Oficina Europea de Patentes (EPO). Es importante mencionar que la OMPI y la EPO no son considerados territorios de protección de patentes. Por una parte, las patentes solicitadas en la OMPI se encuentran registradas bajo el Tratado de Cooperación en materia de Patentes (PCT o WO), el cual ofrece asistencia a los solicitantes que buscan protección internacional para sus invenciones. Este tratado permite que una vez que se haya solicitado una patente inicial en un país de residencia del solicitante, éste cuenta con doce meses a partir de su solicitud para solicitar el registro PCT, otorgándole dieciocho meses adicionales para proteger su invención, de manera independiente en cualquiera de los 148 países registrados en el tratado. Por otra parte, los solicitantes que deciden solicitar la patente en la EPO, una vez que ésta haya sido otorgada, los
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Resultados Obtenidos
solicitantes deben de decidir en qué países representados por la Oficina Europea de Patentes van a proteger su invención, considerando que cada uno representa cuotas anuales de manutención de la patente, lo anterior se encuentra establecido en el Convenio de Múnich. En la Figura 3 se presenta la distribución de las patentes de acuerdo a la oficina de patentes solicitada. Notablemente, China es el país con mayor tendencia a patentar abarcando el 48% del total de las invenciones. Seguido, se encuentra Estados Unidos con 18%, la OMPI con 9% y Japón con 6%. Con cifras menores a 5% se encuentra la EPO, Corea del Sur, Taiwán, Alemania, India y Francia.
Figura 3. Distribución de patentes de acuerdo a la oficina solicitada, 2013-2016
1%
5%
China
2% 4%
Estados Unidos OMPI
5%
Japón 6%
EPO 48%
Corea del Sur Taiwan
9%
Alemania India 18%
Francia Resto del Mundo
Una patente puede ser solicitada en una o varias oficinas de patentes; sin embargo, no significa que la invención se generó en ese territorio. Utilizando el país de prioridad se puede conocer la oficina en donde se registró la primera invención de la familia de patentes. Lo anterior es de suma importancia debido a que, si en una oficina de patentes se han registrado diversas invenciones provenientes de otro territorio, se puede decir que es un país de interés para los solicitantes, ya sea por su relevancia en el mercado o por que cuenta con potencial de desarrollo. En la Tabla 3 se muestra el número total de documentos registrados por oficina y posteriormente el origen de los documentos, con el propósito de identificar aquellos territorios con potencial en mercado. Se puede observar que en países como Japón, Corea del Sur, Taiwán e India se han solicitado diversos documentos provenientes de otras oficinas de patentes, en comparación con otras oficinas, por lo que dichos territorios cuentan con potencial en el mercado para la instalación de tecnologías de celdas solares fotovoltaicas. Asimismo, cabe destacar que China, Estados Unidos, Alemania y Francia son países líderes en I+D de celdas fotovoltaicas, debido a que la mayoría de sus solicitudes de patentes son originarias en ese mismo territorio. Lo anterior, se puede deber a que en dichos países el mercado de este tipo de tecnologías se encuentra estable. También, es importante mencionar que aunque China cuenta con el mayor número de solicitudes, no muestra la tendencia de patentar en otros países.
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Resultados Obtenidos
Tabla 3. Oficina de origen de patentes publicadas en las principales oficinas de patentes
Oficina de patentes
China
Estados Unidos
OMPI
Japón
EPO
Documentos publicados en la oficina de patentes
Origen de los documentos
9515
China: 8780 Estados Unidos: 325 Japón: 85 Francia: 56 EPO: 46 Otros: 162
3575
Estados Unidos: 2513 Francia: 170 Japón: 161 EPO: 118 Corea del Sur: 103 Otros: 487
1895
Estados Unidos: 905 Francia: 174 Japón: 155 EPO: 92 China: 88 Otros: 478
1154
Japón: 684 Estados Unidos: 257 Francia: 45 Corea del Sur: 36 EPO: 35 Otro: 74
911
Estados Unidos: 273 Francia: 132 EPO: 96 Alemania: 66 Italia: 49 Otro: 194
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Resultados Obtenidos
Oficina de patentes
Corea del Sur
Taiwán
Alemania
India
Francia
Documentos publicados en la oficina de patentes
Origen de los documentos
708
Corea del Sur: 447 Estados Unidos: 131 Japón: 29 Francia: 29 EPO: 25 Otro: 47
457
Estados Unidos: 183 Japón: 85 Taiwán: 76 EPO: 24 Francia: 14 Otro: 66
261
Alemania: 214 Estados Unidos: 18 Japón: 9 China: 4 Inglaterra: 3 Otro: 11
227
Estados Unidos: 88 India: 36 Alemania: 24 Francia: 16 Japón: 10 Otro: 44
213
Francia: 204 Estados Unidos: 4 EPO: 1 China: 1
El mapa que se muestra a continuación permite visualizar geográficamente qué países reclaman mayor número de invenciones y qué empresas son las más destacadas en el desarrollo referente a energía solar fotovoltaica. Primeramente, se puede observar que las regiones con mayor número de solicitud de patentes se encuentran en Europa y Asia-Pacífico, lo anterior, posiblemente se debe a la madurez en el mercado de Europa y al potencial de la región de Asia-Pacífico como impulsor del mercado de celdas solares fotovoltaicas. Asimismo, se pueden observar empresas importantes en el ramo como IBM, con patentes en Estados Unidos y Alemania; así como First Solar con invenciones protegidas en Estados Unidos, India y en la EPO.
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Resultados Obtenidos
Figura 4. Principales países y solicitantes en el tema de energía fotovoltaica.
CHINA - 9,515 STATE GRID CORP WUXI TONGCHUN NEW ENERGY SUNGROW POWER TRINA SOLAR ENERGY CHENGDU TECHNOLOGY
ESTADOS UNIDOS – 3,775 IBM FIRST SOLAR INC COMMISARI AT ENERGIE ATOMIQUE CHIEN TSENG LU COK RONALD STEVEN
OMPI - 1,895 INTEL CORP SAUDI ARABIAN OIL CO HONEYWELL INT INC HOLCIM TECHNOLOGY LTD FISHER ROSEMOUNT SYSTEMS INC
JAPÓN – 1,154 MITSUBISHI ELECTRIC SHARP KK SUMITOMO ELECTRIC KYOCERA CORP HITACHI CHEMICAL CO
EPO - 911 COMMISARI AT ENERGIE ATOMIQUE 3M INNOVATIVE PROPERTIES FIRST SOLAR INC LG CHEMICAL CENTRE NAT RECH SCIENT
COREA DEL SUR - 708 LSIS CO HILEBEN CO KD POWER CO PARK KI JU LG CHEMICAL
TAIWÁN - 457 TSMC SOLAR FSP TECHNOLOGY GTAT CORP 3M INNOVATIVE PROPERTIES UNIVERSITY MICHIGAN
ALEMANIA - 261 BOSCH GMBH ROBERT FRAUNHOFER GES SMA SOLAR IBM SOLAR WORLD INNOVATION
INDIA - 227 FIRST SOLAR INC DOW GLOBAL TECHNOLOGIES SMA SOLAR TECHNOLOGY BOSCH GMBH ROBERT PHOENIX CONTACT GMBH
FRANCIA - 213 COMMISARI AT ENERGIQUE ATOMIQUE ARKEMA FRANCE CENTRE NAT RECH SCIENT SOITEC SOLAR GMBH WYSIPS
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Resultados Obtenidos
3.1.1 Patentes publicadas en México En México se encuentran 79 documentos solicitados ante el IMPI. En la oficina mexicana existen un gran número de documentos extranjeros, provenientes de Estados Unidos, Francia, Alemania, Italia y China. El 54% de los documentos registrados en México provienen de Estados Unidos. El propósito es proteger su invención con la finalidad de ser los únicos en poder fabricar y comercializar sus productos en el territorio. Asimismo, cabe destacar que se encontraron ocho documentos que han sido producto de la investigación de solicitantes nacionales. En la Tabla 4, se muestran dichos documentos, así como una descripción de cada uno.
Sistema de ciclo combinado para generar energía eléctrica
Solicitante
Descripción
Ventaja
Sistema de ciclo combinado para generar electricidad
Los sistemas de generación de electricidad son eficientes y no dependen de los combustibles fósiles de hidrocarburos
Convertidor de El convertidor de potencia energía para la Sirve para proporciona alimentación generación de mejorar la vida a partir de una fuente energía a partir de la batería y de energía renovable. de una fuente además reduce de energía El sistema consta de la cantidad renovable, semiconductores de energía siendo un panel controlados y algunos consumida. fotovoltaico en elementos pasivos. modo ISLA.
Sistema de ciclo combinado para generar energía eléctrica, mediante Universidad la combinación de Autónoma de tres ciclos de energías Nuevo León renovables, dos de ellos tratan sobre energía eólica, mientras que el tercero consta de un panel fotovoltaico dinámico seguidor del sol.
Dirección Convertidor de General de potencia de tres Educación Superior puertos para la generación Tecnológica de energía de la eléctrica en Secretaria de modo ISLA Educación Publica
No disponible
Uso
02/09/2016
Título
Se protege una boya solar que comprende una Ignacio Santacruz cápsula de protección que Hernández cubre la celda fotovoltaica y el sistema electrónico.
Boya Solar
La Boya solar contiene alta resistencia y un bajo costo.
Fecha
01/07/2015
MX3302B
MX2013002571A
MX2013001323A
No. de publicación
16/09/2014
Tabla 4. Patentes publicadas en México
Resultados Obtenidos
Título
Descripción
Sistema de seguimiento solar
El sistema de seguimiento solar contiene múltiples generadores de paneles fotovoltaicos que mejoran la eficiencia para la generación de electricidad.
Fecha
Dispositivo de seguridad alimentado por energía Luis Enrique renovable y Chávez monitoreado Montoya vía satélite para autotransporte de carga
El dispositivo comprende una cerradura, alimentada por una celda solar fotovoltaica, un regulador de corriente, localizador GPS y recepción de comandos de apertura.
El dispositivo de seguridad comprende una Dispositivo de cerradura que seguridad para está colocada transporte de en un remolque carga y se encuentra alimentado por una celda solar fotovoltaica.
25/01/2016
Ventaja
Sistema simulador del espectro de radiación solar y temperatura. Asegurándose la simplificación y mejora del sistema.
El sistema permite Sistema para El sistema tiene simular y controlar el simular la un soporte para espectro de radiación radiación solar un simulador solar y la geometría solar usando paneles de movimiento considerando el efecto de fotovoltaicos. orbital la temperatura.
11/05/2015
La presente invención tiene por objeto ofrecer un sistema de seguimiento solar, que contiene una estructura que sostiene los paneles fotovoltaicos, CIATEC AC para desplazarlos en dos ángulos: Beta y Alfa. Este desplazamiento es relativo a la posición del sol y otorga el beneficio de una mayor generación de energía.
Uso
MX2014009077A
Sistema de seguimiento solar de dos ejes
Solicitante
MX2013013120A
MX2014010028A
No. de publicación
22/02/2016
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ITESM
MX2013006775A
MX2013001549A
No. de publicación
Título
Uso
Ventaja
Equipo de entrenamiento auto contenido para la capacitación en sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica
El equipo se encuentra formado en un contenedor robusto que permite la instalación rápida y fácil para ser operada por una sola persona.
31/01/2013
Resultados Obtenidos
Mayor calidad a las Dispositivos Se mejora instalaciones de paneles Carlos aerodinámicos y simplifica Antonio solares fotovoltaicos, de tal para celdas el diseño Reyes Ulloa manera que no se rompan fotovoltaicas aerodinámico con los fuertes vientos.
16/12/2014
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Solicitante
Descripción
Su diseño optimizado le permite tener un peso y un volumen final simplificado; Equipo autocontenido lo cual es significativo para el para su transporte y entrenamiento Instituto de embalaje. Asimismo, el en sistemas investigaciones equipo utiliza; un micro fotovoltaicos eléctricas inversor (tecnología de interconectados reciente aparición en el a la red electrica. mercado fotovoltaico), para dar entrenamiento en su instalación y uso Anclaje aerodinámico para módulos solares fotovoltaicos
Fecha
3.2 - TENDENCIAS TECNOLÓGICAS A continuación, se presentan las principales tecnologías que se han desarrollado a nivel mundial, esto con la finalidad de conocer qué es lo que se encuentran desarrollando actualmente las empresas, centros de investigación, universidades o investigadores independientes. En la Tabla 5 se presentan las tecnologías involucradas en el análisis de patentes. Lo anterior se llevó a cabo, mediante el análisis de la clasificación de patentes Manual Codes de Thomson Reuters, la cual se realiza por un grupo de analistas expertos quienes agrupan las patentes de acuerdo a las características significativas e inventivas del documento. Asimismo, se puede observar que las tecnologías fueron clasificadas en niveles de acuerdo al número de patentes. Las tecnologías en el “Nivel 1” son aquellas que cuentan con más de 4,000 documentos que tratan sobre dicha tecnología. Aquellas que se clasifican en el “Nivel 2”, son las que contienen entre 1,000 a 3,999 invenciones; mientras que las tecnologías con 100 a 999 documentos se encuentran en el “Nivel 3”. Por último, se encuentran aquellas del “Nivel 4” con un rango de patentes entre 1 a 99.
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Resultados Obtenidos
Tabla 5. Tendencias tecnológicas del tema de energía solar fotovoltaica, 2013-2016
Relevancia
Nivel 1
Código
Tecnologías
No. de patentes
A
Colectores de radiación solar para celdas fotovoltaicas
4,975
B
Detalles sobre paneles solares: detalles mecánicos del panel o módulo, recubrimiento anti-reflectivo, cubierta de vidrio, sistemas de limpieza e interconexión entre paneles.
4,707
C
Procesos de fabricación de celdas solares fotovoltaicas
4,320
D
Métodos para el ensamble de celdas solares fotovoltaicas, como detalles de interconexión entre celda y celda.
3,049
E
Detalles mecánicos de celdas solares fotovoltaicas en estructuras de techo, así como detalles de las cajas de conexión, disposiciones de refrigeración y reparación de celdas o módulos.
2,222
Nivel 2 G
Métodos de control, monitoreo y pruebas de rendimiento de celdas solares fotovoltaicas. Detalles generales de celdas y paneles solares
H
Generación de energía solar fotovoltaica a gran escala
1,416
I J
Transferencia de energía y arreglos de circuitos de las celdas solares.
1,084
Materiales semiconductores y estructurales para su uso en celdas solares.
822
K
Concentradores de radiación solar para celdas fotovoltaicas.
620
L
Aspectos relacionados con la conversión de la energía solar fotovoltaica, como inversores, convertidores y métodos de conversión de energía.
594
M
Aspectos relacionados al empaque de celdas solares.
359
N
Detalles sobre los sustratos utilizados para la fabricación de celdas solares.
307
O
Capas para cubrir las celdas solares, como pasivantes, películas antireflectivas, capas de resina o adhesivas y capas de barrera.
288
P
Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de la energía.
233
Q
Generación de energía eléctrica a pequeña escala.
R
Celdas solares orgánicas
205 191
S T
Maximizar la transferencia de energía de los sistemas solares fotovoltaicos.
190
Control del inversor para permitir la máxima transferencia de energía.
84
U
Celdas solares sensibilizadas por colorantes
67
V
Dispositivos para la aplicación de sistemas híbridos (ej. Solar-eólica) para la generación de energía.
62
W
Inversores alimentados por energía solar y generadores para su conexión en redes.
55
X
Celdas solares multifunción en tándem
23
F
Nivel 3
Nivel 4
*Una patente puede encontrarse en más de una tecnología.
2,009 1,866
22
Resultados Obtenidos
A continuación, se presenta un análisis de la tendencia de aplicación de las tecnologías por niveles. Se hace referencia al código que se muestra en la tabla anterior, para identificar la tecnología analizada. Esto con el propósito de determinar aquellas tecnologías que han presentado mayor tendencia a patentar e identificar las más significativas en el tema de estudio. Se encontraron tres tecnologías en el Nivel 1, involucradas en el uso de colectores de radiación solar para celdas fotovoltaicas (A), detalles sobre paneles fotovoltaicos (B) y procesos de fabricación de celdas solares (C). Como se muestra en la Figura 5, las dos primeras muestran una tendencia ascendente en cuanto a la aplicación de patentes; mientras que los procesos de fabricación presentan una caída aproximadamente del 30%, con respecto al 2014. Figura 5. Tendencia de aplicación de patentes de tecnologías Nivel 1
2,000
Número de patentes
1,800
A
1,600
B
1,400 1,200
C
1,000 800 600 400 200 2013
2014
2015
Año Como se observa en la Figura 6, se encontraron seis tecnologías clasificadas en el Nivel 2. Las tecnologías que tratan sobre detalles mecánicos de celdas solares en estructuras de techo, entre otros detalles (E), métodos de control, monitoreo y pruebas (F) y detalles generales de las celdas y paneles solares (G), presentan mayor crecimiento, en comparación con las otras tecnologías. Las patentes que tratan sobre métodos de ensamble (D) han presentado una caída drástica durante el período de tiempo analizado, pasando de 1,285 a 718 documentos. Asimismo, cabe destacar que las invenciones que tratan sobre generación de energía solar fotovoltaica a gran escala (H) y transferencia de energía y arreglos de circuitos de las celdas solares (I) han presentado una tendencia estable, con variaciones mínimas en número de documentos entre un año y otro.
23
Resultados Obtenidos
Figura 6. Tendencia de aplicación de patentes de tecnologías Nivel 2
1,400 D
Número de patentes
1,200
E
1,000
F
800
G
600
H I
400 200 2013
2014
2015
Año Se clasificaron diez tecnologías dentro del Nivel 3, correspondiendo a aquellas que cuentan entre 100-999 documentos. En la Figura 7 se presenta la tendencia de aplicación de patentes, donde se puede observar que ninguna presentó una tendencia ascendente. Sin embargo, se encontraron algunas que muestran cierta estabilidad, durante el período de tiempo. Dichas tecnologías son los aspectos relacionados con la conversión de energía (L), aspectos relacionados con el empaque de celdas solares (M) y generación de energía eléctrica a pequeña escala (Q). Las otras tecnologías presentaron una tendencia a la baja, lo anterior se puede deber a que se encuentran en un estado de desarrollo inicial, tal es el caso de los materiales semiconductores (J) o la fabricación de celdas orgánicas (R). Figura 7. Tendencia de aplicación de patentes de tecnologías Nivel 3
J
300
K
Número de patentes
250
L
200
M N
150
O
100
P Q
50
R
0
S 2013
2014 Año
2015
24
Resultados Obtenidos
Como se muestra en la Figura 8 las tecnologías del Nivel 4 muestran una tendencia descendente a través del tiempo. A pesar de que cuentan con pocos documentos y de su tendencia, es importante seguirlas monitoreando, puesto que posiblemente son tecnologías emergentes que pudieran llegar a ser de importancia para la industria, tal es el caso de los dispositivos para la aplicación de sistemas híbridos (V), las celdas solares multifunción en tándem (X) o las celdas solares sensibilizadas por colorantes (U). Figura 8. Tendencia de aplicación de patentes de tecnologías “Poco relevantes”
40 T
Número de patentes
35
U
30
V
25
W
20
X
15 10 5 0 2013
2014
2015
Año A partir de los resultados anteriores, se puede decir que las tecnologías más significativas en el tema de estudio y que se han desarrollado con mayor intensidad en los últimos años son: Colectores de radiación solar para celdas fotovoltaicas; Detalles sobre paneles solares: detalles mecánicos del panel o módulo, recubrimiento anti-reflectivo, cubierta de vidrio, sistemas de limpieza e interconexión entre paneles; Detalles mecánicos de celdas solares fotovoltaicas en estructuras de techo, así como detalles de las cajas de conexión, disposiciones de refrigeración y reparación de celdas o módulos; Métodos de control, monitoreo y pruebas de rendimiento de celdas solares fotovoltaicas; y Detalles generales de celdas y paneles solares.
25
Resultados Obtenidos
3.3 - GENERACIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA A GRAN ESCALA Del estudio principal de energía solar fotovoltaica se realiza una investigación especifica en la tecnología de “Generación de Energía Solar a Gran Escala” siendo el tema de mayor interés para el taller de energía fotovoltaica para la industria. Los sistemas fotovoltaicos a gran escala representan más de la mitad de toda la capacidad solar instalada en los años 2010-2014, y en consecuencia se colocan como una pieza clave para el crecimiento en energías fotovoltaicas. Un proyecto a gran escala puede involucrar millones de paneles solares y una de sus principales ventajas es que, en estos sistemas, por lo general se van rotando los paneles de tal manera que van siguiendo al sol para aprovechar la luz solar y por ende aumentar la generación de electricidad. Se encontraron un total de 2,104 patentes en el universo de documentos relacionados con la generación de energía solar fotovoltaica a gran escala, de los cuales 1,416 reclaman ser conceptos únicos. Como se mencionó anteriormente la tendencia de aplicación de patentes en conceptos únicos tiende a la estabilidad, durante el período 2013-2015. Lo anterior se puede deber a que el mercado se encuentra estancado, debido a las desventajas de este tipo de energía a gran escala, sobre todo por la inversión que representa su instalación, con respecto a la producción de energía convencional. Figura 9. Aplicación de patentes por año para la tecnología de generación de energía solar fotovoltaica a gran escala, en el período 2013-2016
Número de patentes
600 500 400 300 200 100 0
2013
2014
2015
2016
Año Año de Aplicación En la Figura 10 se muestran los principales solicitantes de patentes a nivel mundial, en donde se observan diferentes empresas líderes en el tema de interés. La compañía con mayor número de documentos es IBM que cuenta con 11 patentes enfocadas en el desarrollo de energía solar a gran escala en comparación con los 84 documentos en el tema general de energías fotovoltaicas, es decir, representan el 13% del total de sus documentos. La empresa colocada en la segunda posición es STATE GRID CORP CHINA que cuenta con 9 documentos. Las dos empresas mencionadas se encuentran entre las principales en cuanto a I+D de tecnologías relacionadas con el tema, por lo que se concluye que la aplicación a gran escala para los sistemas fotovoltaicos resulta ser un tema de interés para las principales compañías y por ende podría presentar potencial para la implementación de sistemas de energía a nivel industrial.
26
Resultados Obtenidos
Figura 10. Principales solicitantes de la tecnología de generación de energía solar fotovoltaica a gran escala, 2013-2016 – Conceptos únicos
11
12
Número de patentes
10
9 8
8
7
7
6
6
6
6
5
5
4 2 0
NA
M
IB ID
E AT T S
GR
P.
I CH
RP
CO
GY
R NE
N
U CH
ER
W PO
AT
I AV
E G C E NI IC R GL ON R O A A T T L S E XI A EC SO NA U L N I A E W P DU U CH P JIN N A IN U HA B H R G N HA OU IJI H E Z B SU
R CO
KK
IC NG TA O L Y R IN VO N Q O SA OT YU PH Y RG E N L AI
En la Figura 11 se presenta la distribución de patentes relacionadas con esta tecnología, de acuerdo a la oficina donde se solicitó. Al igual que el tema en general, esta tecnología en específico se encuentra dominada por China con el 44% de las patentes, seguido por Estados Unidos con 18% del total. Enseguida se encuentra Japón y la OMPI con 9%, cada una. Cabe destacar que en esta tecnología figuran otros territorios, como es España y Australia, siendo este último uno de los países potenciales para la instalación de energía solar fotovoltaica, ubicado en el noveno lugar de nuevas instalaciones fotovoltaicas en el 2015.
27
Resultados Obtenidos
Figura 11. Distribución de patentes de la tecnología de generación de energía solar fotovoltaica a gran escala, de acuerdo a la oficina solicitada, 2013-2016
1%
6%
China
2%
Estados Unidos
4%
Japón
4%
OMPI Corea del Sur
9% 44%
EPO Alemania España
9%
Australia Taiwán Otros
18%
A continuación, en la Tabla 6, se muestran las principales tecnologías involucradas en el desarrollo de generación de energía solar fotovoltaica a gran escala. Se puede observar que las patentes que reclaman ser aplicadas a gran escala, también se encuentran enfocadas en otras tecnologías, para poder llevar a cabo esta aplicación. De acuerdo, a la clasificación de Manual Codes, el 70% de las patentes se encuentran enfocadas en desarrollar colectores de radiación solar para energía fotovoltaica; mientras que el 50%, reclaman que desarrollan tecnologías orientadas al detalle de los paneles solares, como los mecánicos, recubrimientos, cubiertas de vidrio, sistemas de limpieza y la interconexión entre paneles. Otras tecnologías involucradas en la generación de energía solar fotovoltaica son el desarrollo de dispositivos sensibles a la radiación, detalles mecánicos para estructuras de techo, métodos de ensamble, entre otros. Tabla 6. Principales tecnologías relacionadas a la generación de energía solar fotovoltaica a gran escala
Tecnologías Colectores de radiación solar para energía solar fotovoltaica. Detalles sobre paneles solares: detalles mecánicos del panel o módulo, recubrimiento antireflectivo, cubierta de vidrio, sistemas de limpieza e interconexión entre paneles. Dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de la energía Detalles mecánicos de celdas solares fotovoltaicas en estructuras de techo, así como detalles de las cajas de conexión, disposiciones de refrigeración y reparación de celdas o módulos. Detalles generales de celdas y paneles solares Métodos para el ensamble de celdas solares fotovoltaicas, como detalles de interconexión entre celda y celda. Métodos de control, monitoreo y pruebas de rendimiento de celdas solares fotovoltaicas. Procesos de fabricación de celdas solares fotovoltaicas Instalación de paneles solares en techos residenciales. Almacenamiento electroquímico de celdas solares.
Número de patentes 991 704 408 315 273 237 175 136 130 122
28
Resultados Obtenidos
Se encontraron algunas patentes que reclaman que la invención puede ser aplicada para sistemas fotovoltaicos, con aplicación industrial, como en la industria química, automotriz, metalurgia, construcción, entre otras. Dichas patentes, tratan de mejorar los retos que actualmente enfrenta la energía solar fotovoltaica. La información de alguna de estas patentes se encuentra en el Anexo ll. Los principales desarrollos son: Sistemas o materiales para regular temperatura en los módulos fotovoltaicos, por medio del uso de intercambiadores de calor o recubrimientos aplicados sobre sus componentes (US20140360556A1, WO2014086503A1); Sistemas de control y monitoreo de la instalación fotovoltaica (US20130018516A1); Materiales fotovoltaicos de segunda generación para mejorar la calidad y eficiencia de conversión de las celdas solares e incrementar su rendimiento y tiempo de vida (US9178097B2, WO2014121187A3); Dispositivos para mejorar la eficiencia de las celdas y permitir mayor generación de energía, incluso cuando existe poca luz o a partir de luz infrarroja (US20160172514A1); Dispositivos para mejorar la distribución de la energía fotovoltaica (CN103427439A); Cambios estructurales del marco del módulo fotovoltaico, para mejorar la protección de la celda (JP2015019574A): y Facilitar el ensamble de los módulos fotovoltaicos (JP05773321B2), llevar a cabo técnicas monolíticas de interconexión para unir celdas fotovoltaicas (WO2016042115A1) o mejorar las técnicas de deposición de las diferentes capas de la celda (US20140345673A1).
CAP.4 PANORAMA DEL MERCADO
CAP. 4 Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltaica
30
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
4— PANORAMA DEL MERCADO DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Para complementar los resultados del estudio del estado del arte, se presenta una breve información de la situación del mercado de energía solar fotovoltaica a nivel mundial, con el objetivo de contar con el panorama científico, tecnológico y económico del tema de estudio. De acuerdo al REN21iv (Renewable Energy Policy Network for the 21st Century) en su reporte anual del 2016, el 2015 fue un año histórico en el mercado de la energía solar fotovoltaica, ya que el crecimiento anual de la capacidad añadida fue 25% más en comparación con el 2014. En el 2015, se instalaron más de 50 GW (Gigawatts) – equivalente a 185 millones de paneles solares – logrando así una capacidad instalada global de 227 GW a nivel mundial. En la Figura 12 se muestra la capacidad instalada y la adición anual histórica desde el 2005 de energía solar fotovoltaica.
Figura 12. Capacidad global de energía solar fotovoltaica 2005-2015
Adición anual
Capacidad Instalada
227 Gigawatts +50
250 177 +40
Gigawatts
200 138 +38
150 100 +29
100 50 0
5.1 +1.4
6.7 +1.4
9 +2.5
2005
2006
2007
16 +6.5
23 +8
2008
2009
40 +17
2010
Fuente: REN21, 2016
70 +30
2011
2012
2013
2014
2015
31
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
De la figura anterior, se puede apreciar como el mercado anual de este tipo de energía renovable ha incrementado de forma exponencial en la última década, ya que pasó de 1.4 GW anuales en 2005 a instalarse 50 GW en 2015. En los últimos años, la demanda de esta tecnología se concentró en países desarrollados como China, Alemania, Japón, Estados Unidos, por mencionar algunos; sin embargo, hoy en día, economías emergentes en los diferentes continentes han comenzado a contribuir significativamente con el crecimiento global. El crecimiento acelerado de la energía solar fotovoltaica se debe al incremento en la competitividad en la industria de paneles fotovoltaicas, así como a los programas gubernamentales que buscan mejorar la calidad de vida de sus habitantes al brindarles electricidad y reducir las emisiones de gases contaminantes del medio ambiente generados por la quema de combustibles fósiles. Como se mencionó anteriormente, los países desarrollados dominan el mercado de la energía solar fotovoltaica. En la Figura 13 se muestra la participación de los principales países de acuerdo a la capacidad global instalada. China tiene una penetración del mercado del 19.4% convirtiéndolo en el país con mayor capacidad instalada, en segundo lugar, se encuentra Alemania con el 17.5% y en tercero Japón con el 15.2%. Posteriormente, se encuentran Estados Unidos (11.3%), Italia (8.6%), Reino Unido (4%), y Francia (3.5%). Con el 2.2% cada uno se encuentran España, India, y Australia. Finalmente, con menos del 2% Corea del Sur y Canadá. Por lo anterior, no es sorpresa que China y Estados Unidos sean líderes en el desarrollo de este tipo de tecnologías, puesto que han apostado en la integración de energía solar fotovoltaica en sus redes de generación y distribución de energía.
Figura 13. Distribución de la capacidad global instalada en 2015 por países
11% 2%
China
1%
Alemania
19%
Japón Estados Unidos Italia
4% 4%
18%
Reino Unido Francia España
9%
India 11%
Australia 15%
Corea del Sur Canadá Resto del Mundo
Fuente: REN21, 2016
32
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
En la siguiente gráfica (Figura 14) se muestra la capacidad instalada total en 2015 y la adición anual de los países mencionados anteriormente. Es importante observar que en el 2014 Alemania fue el líder mundial en capacidad instalada de energía solar fotovoltaica; sin embargo, debido a que el gobierno de China está tomando medidas drásticas debido a los problemas de contaminación en su territorio instalaron 15.2 GW de infraestructura de energía fotovoltaica, logrando posicionarse como el líder mundial en el 2015. En segundo lugar, en capacidad nueva instalada se encuentra Japón con 11 GW. Estados Unidos, también tiene un papel importante, ya que ocupó el tercer puesto en la capacidad nueva añadida con 7.3 GW. Figura 14. Capacidad instalada y adición de energía solar fotovoltaica de los principales países,2015
Adición en 2015 50
44 +15.2
39.7 +1.5
40 Gigawatts
Capacidad en 2014
34.4 +11 25.6 +7.3
30 20
19.5 +0.3
9.1 +3.7
10
8 +0.9
5 +0.1
5 +2
0
ina
Ch
em
Al
ia
an
os
ón
p Ja t
Es
s
o ad
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lia
ido
Ita
o
in Re
Un
cia
n ra
F
ña
E
a sp
ia
Ind
5 +0.9
3.9 +1
2.5 +0.6
á ur lia ad lS tra n e s d Ca Au ea r Co
Fuente: REN21, 2016
Al continente asiático se le atribuye cerca del 60% de la capacidad añadida del 2015, de los cuales 30% son de China, 22% de Japón, 4% de India y 2% de Corea del Sur. Como se mencionó anteriormente en las oficinas de patentes de Japón, India y Corea del Sur se solicitan invenciones, originarias de otros territorios. Esto posiblemente se debe al auge del continente asiático en instalación fotovoltaica y su potencial de desarrollo en un futuro. En la Figura 15 se muestra la participación de cada uno de los países en cuanto a la capacidad nueva añadida en 2015.
33
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
Figura 15. Distribución de la capacidad nueva añadida en 2015 por país.
CHINA 30%
ESTADOS UNIDOS 15% GB 7%
INDIA 4%
ALEMANIA
3%
COREA DEL SUR
2%
AUSTRALIA
2%
FRANCIA 2% CANADÁ 1%
PRÓXIMOS 10 PAÍSES 18% JAPÓN 22%
PAKISTAN
1%
HOLANDA
1%
CHILE 1% RESTO DEL MUNDO 8%
TAIPEI,CHINA
1%
HONDURAS
1%
Fuente: REN21, 2016
En la Figura 16 se muestra la capacidad instalada en el año 2013 por las principales empresas de paneles solares fotovoltaicos. En ella se puede apreciar que la empresa china Yingli Green Energy es el competidor líder con una instalación total de 3.23 GW, en segundo lugar, se encuentra nuevamente una empresa de origen chino, Trina Solar Limited, con una instalación de 2.58 GW. En tercer lugar, la empresa japonesa Sharp con 2.1 GW. Es importante mencionar que dentro de las principales empresas se encuentra la compañía SunPower, quien también se posiciona entre los principales solicitantes de patentes de conceptos únicos. SunPower ha desarrollado invenciones que tratan sobre dispositivos sensibles a la radiación para la conservación de energía, concentradores de radiación solar para celdas fotovoltaicas y celdas fotoeléctricas. Figura 16. Capacidad instalada de las principales empresas de energía solar fotovoltaica, 2013
SunPower JA Solar Kyocera Hanwha Solar One ReneSola Jinko Solar Canadian Solar Sharp Trina Solar Limited Yingli Green Energy 500
1,000
1,500
2,000
Gigawatts Fuente: BCC Research, 2014v
2,500
3,000
3,500
34
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
El mercado de energía fotovoltaica se puede segmentar dependiendo del tipo de tecnología de la celda fotovoltaica, ya sea de primera, segunda o tercera generación. En la Tabla 7 se muestra que la tecnología de primera generación es la que domina el mercado y se espera que continúe de esa forma en el 2019. Sin embargo, es importante mencionar que en el 2019, las tecnologías de segunda y tercera generación seguirán estando muy por debajo que las celdas solares de silicio. Las tecnologías que muestran mayor potencial, son las que utilizan Telurio de cadmio (CdTe) y las de Cobre, Indio, Galio y Selenio (CIGS)/Cobre, Indio y Selenio (CIS). Tabla 7. Segmentación de mercado por tipo de tecnología, 2013-2019 (GW)
Tecnologias
2013
2014
2019
CAGR% (2014-2019)
51.7
5.3
3.6 2 1.2
11.4 20.1 8.4
0.9 0.15 0.15
24.6 96.8 (*) 146.6 (**)
Primera generación Celdas de Silicio
35.4
39.9 Segunda generación
CdTe CIGS/CIS a-Si
1.8 0.7 0.7
2.1 0.8 0.8 Tercera generación
CPV OPV DSC
0.1 No comercial No comercial
0.3 No comercial No comercial
Fuente: BCC Research, 2014v (*) Período de cuatro años (**) Período de tres años
En el estudio de mercado Global Market Outlook For Solar Power 2016-2020vi, de Solar Power Europe también reporta que la instalación en el 2015 de energía solar fotovoltaica fue de 50.6 GW, los cuales se pueden segmentar en aplicaciones en azoteas y servicios públicos. En la Figura 17 se muestra que el segmento de servicios públicos muestra mayor participación en el mercado, con el 64%; mientras que las aplicaciones en azoteas muestran una participación del 36%. Entre las aplicaciones de azoteas se pueden encontrar aquellas que se instalan en residencias, comercios o empresas, para autoconsumo; mientras que el de servicios públicos son aquellas que distribuyen la energía hacia residencias, empresas o industrias.
35
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
Figura 17. Segmentación de la capacidad instalada de la energía solar fotovoltaica, 2015
36%
Azoteas
64%
Servicios Públicos
Fuente: Solar Power Europe, 2015
Se pueden encontrar algunas empresas, pertenecientes al sector manufacturero, que han invertido en la instalación de paneles fotovoltaicos para su autoconsumo, entre ellas se encuentran compañías grandes como Miller, PepsiCo, ABB, General Motors, entre otras. En la Tabla 8 se encuentran las empresas manufactureras con instalaciones fotovoltaicas, donde se puede observar que la mayoría se encuentran en el sector de alimentos y bebidas. Asimismo, las empresas con mayor producción de energía fotovoltaica son Pacific Ethanol Inc (5MW), ENI (10 MW) y General Motors (41.8 MW). Tabla 8. Empresas manufactureras con instalaciones fotovoltaicas
Empresa
Sector económico
Localización de instalación fotovoltaica
SAB Millervii
Bebidas (Cerveza)
Nigeria
Pacific Ethanol, Incviii
Biocombustibles
Estados Unidos
ABBix
Energía y automatización
India
PEPSICO LATAM
x
Embotelladora
Honduras
Producción de Empresa contratada energía fotovoltaica. 2 KWp 5 MW, lo que equivale al 30% de su consumo energético. 600 kW 3 MW, lo que equivale al 16% de su consumo energético.
BIPVco LTD Borrego Solar Systems N.D.
Jinko Solar
36
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
Empresa
Sector económico
Localización de instalación fotovoltaica
Producción de Empresa contratada energía fotovoltaica. 1 MW, lo que equivale al 25% de su consumo energético.
PEPSICO NORTH AMERICAxi
Alimentos (frituras)
Estados Unidos
PEPSICO UKxii
Bebidas (Jugo)
Reino Unido
150 KW
N.D.
ENIxiii
Petróleo
Argelia
10 MW
N.D.
1.4 MW, para reducir 20% del gasto de energía.
N.D.
Yalumba Family Vigneronsxiv
New England Apple Productsxv
Bebidas (Vino)
Bebidas (Cidra)
Australia
Solyndra
Estados Unidos
300 KW, para cubrir el 90% del uso de electricidad en una de sus plantas.
Topsun Energy Ltd
125 KW, lo que equivale a una inversión de 149.7 mil dólares y equivale al 20% de energía de la planta.
N.D.
Wagh Bakrixvi
Bebidas (Tés)
India
General Motorsxvii
Automotriz
China y España
30 MW en China. 11.8 MW en España.
N.D.
Nueva Zelanda
1,314 paneles fotovoltaicos, lo que equivale al 30% de energía.
N.D.
Yealands Wine Groupxviii
*N.D. No disponible
Bebidas (Vino)
37
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
4.1 - SITUACIÓN EN MÉXICO En México, el mercado de esta tecnología se encuentra en desarrollo y se esperaba que este crezca rápidamente en los años 2013 y 2014xix. Esto se debe a que México se encuentra dentro de los cinco principales países más atractivos del mundo para invertir en proyectos de energía solar fotovoltaica, ya que se encuentra dentro del “cinturón solar” y cuenta con una radiación superior a los 5kWh por m2 al día. En el año 2011, México contaba con una capacidad instalada de 32 MW y en el año 2012 alcanzó los 36.8 MW obtenidos a partir de proyectos solares fotovoltaicos dedicados principalmente a la electrificación rural e industrial. En el año 2013, se construyó el huerto solar más grande de México en la Ciudad Pecuaria, Durango que cuenta con una producción de 16,800 MW; también se construyó la planta solar más grande de Latinoamérica en la ciudad de la Paz de Baja California Sur que cubre una superficie de 100 hectáreas, tiene una capacidad fotovoltaica de 30 MW y una producción de 82 GW por hora por año. Adicionalmente, se está construyendo otro complejo fotovoltaico en el estado de Durango que se convertirá en la central con mayor capacidad fotovoltaica en México, esta ocupará una superficie de 430 hectáreas y tendrá una capacidad de 144 MW. México espera que para el 2024, el 35% de la energía generada en el país provenga de fuentes naturalesxx. Lo anterior se puede ver reflejado en las dos subastas de energía de largo plazo de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), celebradas en este año, como parte de los proyectos gubernamentales de la reforma energética. En dichas subastas se espera una inversión estimada de 6,600 millones de dólares en instalaciones de energías renovablesxxi. Lo anterior, provocará que en los próximos dos años se instalen cerca de 3,619 MW fotovoltaicos en el país, lo que equivale a 5.5% de la capacidad total nacional eléctrica y superará 14 veces la capacidad fotovoltaica instaladaxxii. Cabe destacar que dentro de los proyectos ganadores por tipo de tecnología en la segunda subaste del Mercado Eléctrico Mayorista, la energía fotovoltaica es la mayor de preferencia, para proyectos enfocados en Certificados de Energía Limpia (CEL) y proyectos de compra de energía, con el 53% y 54% de los proyectos aprobados. A su vez, ocupa el 15% para proyectos relacionados a potencia (centrales eléctricas), sólo por detrás de los proyectos de ciclo combinadoxxiii. Entre las empresas ganadores se encuentran Alten, AT Solar, Bluemex, CFE, Acciona, Engie, Ienova, Zumex, Enel, Tractable y Grupo Fénix. Sin duda, uno de los retos más grandes que afecta la industria en México, en relación con las subastas de la CFE, es el bajo precio, puesto que en la segunda subasta se presentó una reducción del 30% (en comparación con la primera). El precio se colocó en $33.47 dólares por MWhxxiii, lo que podría afectar los retornos de inversión. Asimismo, la tendencia indica que los precios seguirán bajando en los próximos añosxxiv. El potencial del país para la generación de energía eléctrica por medio de paneles solares, se ve reflejado en los diversos proyectos que se encuentran desarrollando en la actualidad para la creación de granjas solares fotovoltaicas. A continuación, se hace mención de algunos proyectos de relevancia en el país, anunciados en este año:
38
Panorama del Mercado de Energía Solar Fotovoltáica
Solarcentury desarrollará dos proyectos de 100 y 70 MW en Jalisco y Yucatán, respectivamentexxv. Balam Fund ha contratado a la empresa Gransolar para construir una granja solar que genere 83 GWh en 90 hectáreas de terreno en Chihuahua, con una inversión estimada en $45 millones de dólaresxxvi. Canadian Solar construirá una planta solar de 63 MWp en Aguascalientesxvii. En Coahuila se construirá una granja solar con 2.5 millones de paneles solaresxxviii. IUSASOL, del grupo IUSA, inauguró este año un complejo de energía solar en el Estado de México, con una capacidad de 21 MW, y una inversión de $38 millones de dólaresxxix. En Puebla se han confirmado la instalación de seis plantas solares, las cuales generarán 80 MW de energía y producirán el 5% de energía del estado. Dicha instalación equivale a una inversión de $80 millones de dólaresxxx.
CAP.5 CONCLUSIONES
CAP. 5 Conclusiones
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Conclusiones
5— CONCLUSIONES La generación de electricidad a través del uso de tecnologías renovables solares ha cautivado el interés, no sólo de investigadores, sino también el de empresas a nivel mundial y consumidores como usuarios finales. Esta tecnología comienza a demostrar su potencial como opción para la generación de energía, considerando la limitante reserva de combustibles fósiles, así como los daños que ocasiona al medio ambiente. Debido a su potencial como una de las alternativas para reducir el consumo de combustibles fósiles, año tras año se llevan a cabo investigaciones y nuevos desarrollos relacionados con el tema. Se encontraron 19,975 patentes que tratan sobre desarrollos relacionados el uso de energía solar fotovoltaica. Del total de documentos, se encontraron 12,803 conceptos únicos, esto quiere decir que se hizo una depuración de patentes y se seleccionó un documento que representara al resto de la información con la misma información. A pesar de la oportunidad de la implementación de sistemas fotovoltaicos para la generación de energía, la aplicación de patentes ha mostrado una tendencia descendente, durante los últimos años. Dicha tendencia, se puede deber a que los paneles solares de primera generación están entrando a la madurez del mercado, y es difícil igualar a gran escala sus características de precio/eficiencia, por lo que los otros desarrollos tecnológicos se están alentando. Los principales solicitantes se encuentran dominados por empresas, lo anterior indica que la tecnología ha pasado de la investigación básica a la investigación aplicada, donde empresas como FIRST SOLAR, IBM, MITSUBISHI ELECTRIC CORP Y SUNPOWER CORP se encuentra en constante investigación y desarrollo de nuevas soluciones que puedan atacar las desventajas de los sistemas fotovoltaicos actuales. Al detectar el origen del país de las patentes, se pueden observar aquellos territorios que son los encargados de desarrollar nuevas tecnologías y aquellos que son de interés para el mercado, debido a su potencial de instalación fotovoltaica. Entre los primeros se encuentra China, Estados Unidos, Alemania y Francia, quienes cuentan con un mercado maduro de energía solar fotovoltaica; mientras que en los segundos se ubica Japón, Corea del Sur, Taiwán e India, puesto que la mayoría de las patentes que han sido aplicadas en dichas oficinas, provienen, en su mayoría de solicitantes de otros territorios. Esto se puede deber al potencial y auge que ha tenido la instalación de esta tecnología en dichos países. Las patentes se clasificaron de acuerdo a la tecnología o tecnologías de su concepto inventivo. Las patentes fueron clasificadas en 24 tecnologías diferentes, las cuales al mismo tiempo se clasificaron en cuatro niveles, de acuerdo al número de patentes. Se encontraron nueve tecnologías en el Nivel 1 y 2, de las cuales destacan cinco, de acuerdo a su tendencia ascendente a través del tiempo: el uso de colectores de radiación solar para celdas fotovoltaicas; detalles mecánicos del panel o módulo; detalles mecánicos para celdas en estructuras de techo, cajas de conexión, disposiciones de refrigeración y reparación de celdas; y métodos de control, monitoreo y pruebas. Debido al enfoque del taller, se analizaron las patentes pertenecientes a tecnologías de generación de energía solar fotovoltaica a gran escala. Se encontraron 1,416 invenciones referentes al tema. Durante el periodo analizado, la tendencia de patentes mostró estabilidad en cuanto a las aplicaciones. Las principales tecnologías que se relacionan con el desarrollo de generación de energía solar a gran escala son colectores de radiación solar para energía solar fotovoltaica y algunos detalles técnicos sobre paneles solares. En específico para sistemas fotovoltaicos aplicados en la industria, se pueden encontrar tecnologías para regular la temperatura de los
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Conclusiones
módulos fotovoltaicos, control y monitoreo de las instalaciones, materiales fotovoltaicos de segunda generación, mejoramiento de eficiencia de celdas, cambios estructurales del módulo fotovoltaico y métodos de ensamble o interconexión. El mercado mundial de energía solar fotovoltaica ha mostrado un crecimiento ascendente en los últimos años, logrando la instalación de 50 GW en el 2015, para así contar con una capacidad instalada anual de 227 GW. China, Alemania, Japón, Estados Unidos e Italia son los países que cuentan con mayores instalaciones fotovoltaicas, en ese mismo año. A su vez, China, Japón y Estados Unidos son los principales países que instalaron paneles fotovoltaicos durante el 2015. Asimismo, cabe destacar que la tecnología más utilizada son las provenientes de silicio, es decir aquellas denominadas de primera generación. En México se espera que para el 2024, el 35% de la energía generada en el país provenga de fuentes naturales. La energía solar fotovoltaica es una de las tecnologías de mayor potencial, debido a la radiación solar que recibe el país. Lo anterior, se ve reflejado en los resultados de las subastas de energía de largo plazo, donde se espera que se instalen cerca de 3,619 MW de paneles fotovoltaicos, lo que equivale al 5.5% de la capacidad total nacional eléctrica. Asimismo, cabe destacar que en este año se anunciaron proyectos que esperan incrementen la capacidad instalada en el país, como los proyectos de Solarcentury (170 MW), las seis granjas instaladas en Puebla (80 MW) y el complejo de IUSASOL en el estado de México (21 MW). La energía solar fotovoltaica puede ser una opción para reducir el consumo de energía proveniente de energía fósil; sin embargo, es necesario seguir buscando nuevas tecnologías, materiales y procesos que puedan mitigar las desventajas actuales, cuidando que los nuevos desarrollos cumplan con atributos como precio y eficiencia que puedan competir con la generación de energía a partir de combustibles fósiles.
ANEXOS
Anexo l
Anexos
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Anexos
— ANEXO I Metodología La metodología utilizada para la elaboración del estudio de arte se basa en la búsqueda de patentes por medio de palabras clave. Se realizó la búsqueda en los bancos de información de las patentes en trámite o ya otorgadas de Estados Unidos, la Unión Europea, y diferentes bancos de datos de países como Japón, China, Taiwán, Canadá, entre otros; los cuales representan más del 90% del universo de patentes relevantes en el mundo. Durante el trabajo de búsqueda se utilizaron software con herramientas avanzadas, las cuales facilitan la búsqueda y análisis de las patentes. El software utilizado para la búsqueda de patentes fue Thomson Innovation. Éste permite el acceso a las bases de datos mencionadas en la Tabla 9. Tabla 9. Bases de patentes utilizadas
Colecciones base
Colecciones asiáticas traducidas
- US Grants - US Applications - WIPO Applications -European Grants - European Applications - British Applications - French Applications - German Utility Models - German Grants - German Applications - Traducciones en ingles de los resúmenes de patentes japonesas y coreanas - Otras autoridades: bibliografía y resumen de más de 90 autoridades cubiertas por el INPADOC
- Japanese Utility Models - Japanese Grants - Japanese Applications - Chinese Utility Models - Chinese Applications - Korean Utility Models - Korean Granted Patents & Examined Applications - Korean Applications - WO (WIPO) Japanese records - WO (WIPO) Korean records
DWPISM
Colecciones en japonés
DWPISM - Japanese Utility Models El Derwent World Patents - Japanese Grants Index ® (DWPI) es la - Japanese Applications mayor base de datos de información sobre patentes reforzada en el mundo. Incluye datos de patentes de más de 44 autoridades en todo el mundo, cubriendo 43,5 millones de patentes y 20 millones de invenciones.
Este software, además de realizar la búsqueda de patentes, brinda un análisis general sobre las tendencias tecnológicas. El programa arroja resultados de los principales inventores, las principales empresas solicitantes de patentes, el número de patentes otorgadas por año, entre otras opciones.
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Anexos
Estrategia de búsqueda La siguiente es una metodología recomendada para la búsqueda de patentes: Investigación previa: búsqueda de información general del tema de estudio en revistas científicas, publicaciones, páginas web, etc.; Palabras clave: definir las palabras clave con base en la investigación previa y crear un listado de las mismas; y Estrategia de búsqueda: diseñar la combinación de palabras clave para encontrar todas las patentes que puedan ser de importancia. Una búsqueda booleana se refiere a un tipo de búsqueda en la que se puede realizar una consulta más precisa y eficiente de información en Internet o bases de datos. Este tipo de consulta no requiere escribir frases completas, sino que permite combinar palabras claves con símbolos (por ejemplo: + o -) que substituyen las frases largas y que permiten obtener resultados más concretos. Normalmente al realizar la búsqueda se utilizan palabras que están unidas por “o/y/no”, en lugar de esto, es posible utilizar símbolos (Ejemplo los signos + y -), que ayuden a hacer más ágil esta búsqueda. La búsqueda booleana funciona con palabras completas a menos que se use el carácter *. Hay varios caracteres que nos pueden ayudar con las búsquedas booleanas: +, –, *, ”, >
