Revista Mexicana de Física ISSN: 0035-001X [email protected] Sociedad Mexicana de Física A.C. México

Estrada Gasca, C. A. Transición energtica, energias renovables y energía solar de potencia Revista Mexicana de Física, vol. 59, núm. 2, octubre-, 2013, pp. 75-84 Sociedad Mexicana de Física A.C. Distrito Federal, México

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REVISTA MEXICANA DE F´ISICA S 59 (2) 75–84

OCTOBER 2013

Transici´on energ´etica, energ´ıas renovables y energ´ıa solar de potencia C. A. Estrada Gasca Instituto de Energ´ıas Renovables, Universidad Nacional Aut´onoma de M´exico, Privada Xochicalco S/N, 62580, Temixco, Morelos, M´exico. Received 14 May 2013; accepted 23 May 2013 En este trabajo se reflexiona sobre la problem´atica energ´etica mundial; la finitud de las fuentes f´osiles y su impacto al medio ambiente. La estructura energ´etica mundial es no sustentable y se requiere de un cambio de paradigma energ´etico basado en la eficiencia energ´etica y el uso de fuentes alternas como las energ´ıas renovables (ER). La demanda energ´etica mundial est´a en continuo aumento a un ritmo de crecimiento anual del 2.47 %. En un escenario al 2030 para la transformaci´on del sistema mundial de energ´ıa, elaborado a partir del cumplimiento de nuevas pol´ıticas energ´eticas que consideran una econom´ıa baja en carb´on para la protecci´on del medio ambiente, todas las fuentes primarias contribuyen a satisfacer la demanda energ´etica. De hecho, las fuentes primarias de energ´ıa que m´as crecen son el gas y las ER. En particular, la taza a la que las ER est´an creciendo y penetrando los mercados mundiales de la energ´ıa tiene una marcada similitud con la aparici´on de la energ´ıa nuclear en los a˜nos 1970’s y 1980’s. M´exico cuenta con abundantes recursos renovables y se han hecho esfuerzos importantes para avanzar en el uso de las tecnolog´ıas que aprovechan las fuentes de ER. El potencial solar del pa´ıs es realmente muy grande y el uso de las tecnolog´ıas solares que aprovechan dicho recurso es muy limitado. Se requiere, para garantizar el desarrollo sustentable en el pa´ıs, que el estado mexicano se comprometa, con una visi´on a largo plazo, en el aprovechamiento de las ER y en el uso eficiente de la energ´ıa. Se deber´an generar las pol´ıticas, los marcos legales, los incentivos econ´omicos y los fondos de financiamiento para apoyar a la investigaci´on cient´ıfica y tecnol´ogica y permitir el desarrollo masivo de las ER y del uso eficiente de la energ´ıa en el pa´ıs. Descriptores: Transici´on energ´etica; energ´ıas renovables; energ´ıa solar; concentraci´on solar. This paper comments on the global energy problem, the finiteness of fossil fuels and their impact on the environment. The global energy structure is unsustainable and requires a paradigm shift based on energy efficiency and the use of alternative and renewable energy (RE). The global energy demand is continuously increasing at an annual growth rate of 2.47 %. In a scenario at 2030 from the IEA to transform the global energy system (made from compliance with new energy policies that consider low carbon economy for the protection of the environment) all primary sources contribute has meet energy demand. Actually, the primary sources of energy that have the fastest growing are Gas and RE. In particular, the rate at which the RE are growing and penetrating the global energy markets has a strong similarity with the appearance of nuclear energy in the years 1970’s and 1980’s. Mexico has abundant renewable resources and has made relevant effort to advance the use of technologies that take advantage of RE sources. The country’s solar potential is really great and the use of solar technologies that take advantage of this resource is very limited. To ensure sustainable development in the country, it is required the Mexican government undertake, with a long-term vision, in the use and development of the RE and in the energy efficiency in Mexico. It should generate policies, legal frameworks, economic incentives and financing funds to support scientific and technological research and allow massive development of RE and the efficient use of energy in the country. Keywords: Energy transition; renewable energy; solar energy; solar concentration systems. PACS: 88.05.-b; 88.05.Ec; 88.40.-j; 88.40.fj; 88.40.fp; 88.40.fr

1. La problem´atica energ´etica del mundo El crecimiento de la poblaci´on mundial en la u´ ltima centuria ha sido ins´olito: se estima que en el a˜no 1930 era de 2,000 millones de personas, para el a˜no 1960 de 3,000 millones y en solo 39 a˜no, esto es en 1999 se duplic´o a 6,000 millones. Actualmente es de m´as de 7,000 millones y se estima que para el a˜no 2030 seremos 8,000 millones de seres humanos en el planeta. Este crecimiento poblacional esta estrechamente relacionado con el crecimiento en la demanda de energ´ıa mundial. En la actualidad, las fuentes primarias de energ´ıa que dominan en el mundo son los hidrocarburos y corresponden al 81.2 % de toda la energ´ıa primaria producida y consumida. En M´exico, la dependencia es mayor; en el a˜no 2011, el 91.2 % de la producci´on de energ´ıa primaria correspondi´o a combustibles f´osiles, (64.1 % petr´oleo, 24 % gas y 3.1 % carb´on) [1].

Los pa´ıses emergentes (China, India, Brasil, M´exico. . .) y los pa´ıses menos desarrollados necesitan para su desenvolvimiento tener acceso pleno a las fuentes de energ´ıa modernas, entendidas estas como electricidad y carburantes. De ah´ı que la demanda energ´etica mundial est´a en continuo aumento a un ritmo de crecimiento anual del 2.47 %. A medida que crece la poblaci´on y las econom´ıas, millones de personas en todo el mundo disfrutan de los beneficios de un estilo de vida que requiere cantidades de energ´ıa cada vez mayores. Seg´un la Administraci´on de Informaci´on sobre Energ´ıa de los EUA (EIA), en su escenario de referencia, la demanda mundial de petr´oleo evolucionar´a de 87 millones de barriles al d´ıa en 2011 a 119 millones de barriles diarios en 2040, es decir se incrementar´a un 36 % m´as en ese periodo. Lo cual es un reto muy grande en t´erminos de inversiones, en particular, en un contexto de declinaci´on de las reservas de lo que se ha llamado el ”petr´oleo f´acil”, esto es, f´acil de extraer y trasportar, y por ende barato.

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Este contexto de declinaci´on de las reservas del “petr´oleo f´acil” es ya evidente. Muchos de los campos de petr´oleo y gas del mundo est´an llegando a su madurez. La producci´on de crudo toc´o techo en los Estados Unidos en 1970, en Alaska en 1988, en el Mar del Norte en 1999 y en Cantarell en 2005, no obstante que los grandes descubrimientos m´as recientes fueron precisamente en esos lugares (en Alaska y en el Mar del Norte en 1967 y en Cantarell en 1971). Los descubrimientos de nuevos yacimientos de fuentes energ´eticas se dan principalmente en lugares donde los recursos son dif´ıciles de extraer, ya sea por motivos f´ısicos, econ´omicos o incluso pol´ıticos. ¿Cuando tocar´a techo la producci´on mundial de este hidrocarburo? Algunos sugieren que ya se alcanz´o, otros m´as sugieren que se alcanzar´a en los pr´oximos a˜nos. A partir de ese momento la producci´on disminuir´a. Cualesquiera que sea la fecha, para los expertos petroleros del mundo es claro que este recurso est´a declinando r´apidamente en relaci´on a la escala temporal humana. Lo m´as probable es que mucho antes que se alcance este l´ımite, que eventualmente puede ser extendido por los avances tecnol´ogicos, el juego de la oferta y la demanda petrolera y su impacto en la evoluci´on de los precios del petr´oleo constituir´an los factores determinantes del fin de la era del petr´oleo. Adicionalmente, es com´un decir que la producci´on de gases de efecto invernadero, principalmente el bi´oxido de carbono debido al uso intensivo de los hidrocarburos, son los precursores del incremento de la temperatura media global y consecuentemente del llamado cambi´o clim´atico, con todas las consecuencias para los seres humanos que ello implica. As´ı llegamos a establecer que el problema energ´etico del mundo actual consiste en que las fuentes principales de energ´ıa que usamos los humanos (los hidrocarburos) han mostrado su finitud y que su uso intensivo tiene un impacto al medio ambiente de dimensiones globales y catastr´oficas. Esto es, el sistema energ´etico mundial no es sustentable. Ante esta situaci´on energ´etica mundial y nacional, M´exico necesita un cambio de paradigma energ´etico. Es urgente una utilizaci´on m´as racional de la energ´ıa y la sustituci´on de los combustibles f´osiles por otros tipos de energ´ıa primaria. Es inevitable preguntarse si existen fuentes energ´eticas suficiente que puedan sustituir a las fuentes f´osiles y que permitan la conservaci´on del medio ambiente para un desarrollo sustentable. Este proceso de transici´on se debe lograr sin tensiones geopol´ıticas dram´aticas por el control de los yacimientos de los hidrocarburos y sin la degradaci´on irreversible del medio ambiente natural, particularmente debida a las emisiones de gas de efecto invernadero. Volvemos a preguntarnos ¿existen las fuentes energ´eticas que puedan satisfacer esta necesidad? La respuesta es afirmativa; existen las fuentes renovables de energ´ıa; la energ´ıa solar que en sus diversas manifestaciones directas (radiaci´on solar directa, difusa. . .) o indirectas (biomasa, e´olica, hidr´aulica, mareomotriz. . .) es la fuente de energ´ıa mas abundante en la Tierra, adem´as de la geotermia. La Figura 1 muestra el recurso energ´etico disponible en el mundo, as´ı como el con-

sumo global anual de energ´ıa por los humanos. El consumo energ´etico anual, esto es, la demanda global (DG) de energ´ıa primaria es aproximadamente de 425 EJ/a˜no (EJ=exajulio= 1018 Julios). La energ´ıa solar total anual que alcanza la superficie de la Tierra y su atm´osfera es 2,895,000 EJ/a˜no ( 7,000 veces la demanda global en 2004, DG), que representa unas 9 veces el recurso total de todas las dem´as energ´ıas no-renovables, estimado en 325,300 EJ (770 veces la DG); Petr´oleo: 8,690 EJ ( 20 DG), Gas: 17,280 EJ ( 40 DG), Uranio 114,000 EJ ( 270 DG), Carb´on: 185,330 EJ ( 440 DG). La Figura 1 muestra estas cantidades en paralelep´ıpedos rectangulares donde por sus tama˜nos relativos se aprecian la abundancia de unos con respecto a otros. La energ´ıa solar en sus manifestaciones directa e indirecta junto con la energ´ıa geot´ermica tambi´en se conocen como energ´ıas renovables, esto es, fuentes de energ´ıa que por su cantidad en relaci´on a los consumos que los seres humanos pueden hacer de ellas son consideradas inagotables y su propio consumo no afecta el medio ambiente. Seguramente en el futuro se encontrar´an m´as yacimientos de hidrocarburos y material nuclear, sin embargo, es claro de la figura 1 que las u´ nicas fuentes que a largo plazo pueden satisfacer la demanda mundial de los seres humanos en forma sustentable, en el presente o en el futuro, son las fuentes renovables de energ´ıa. Creemos que en este per´ıodo transitorio hacia un sistema energ´etico sustentable, el uso racional y eficiente de las actuales fuentes energ´eticas y las energ´ıas alternativas: energ´ıas renovables (ER) y energ´ıa nuclear, son la soluci´on al problema energ´etico planteado.

2.

Crecimiento Mundial de las ER

Las tecnolog´ıas que aprovechan a las fuentes renovables de energ´ıa, en diversos estados de desarrollo, han estado presentes en la historia de los seres humanos desde siempre. Sin

F IGURA 1. Recurso energ´etico disponible actualmente en el mundo, as´ı como el consumo global anual de energ´ıa por los humanos [2]

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embargo, con el advenimiento de la revoluci´on industrial, cuya pieza fundamental fue la maquina de vapor desarrollada por James Watt en 1774 y que requer´ıa para su funcionamiento un combustible de alta densidad energ´etica como el carb´on, las energ´ıas renovables empezaron a ser sustituidas por los hidrocarburos. En las u´ ltimas d´ecadas y debido a las crisis petroleras, la investigaci´on y desarrollo de las tecnolog´ıas que aprovechan las fuentes renovables de energ´ıa (FRE) se ha intensificado al punto de generar tecnolog´ıas actualmente en estado comercial. Pero m´as a´un, estos mercados han tenido en los u´ ltimos a˜nos un crecimiento muy importante.

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3. Estructura Energ´etica en el mundo y en M´exico. Escenarios futuros

Entre los factores que han permitido el desarrollo actual de los mercados de las FRE, se pueden mencionar a los siguientes: F IGURA 2. Inversi´on mundial anual en ER (2004-2011) [4].

El alza de los precios de los hidrocarburos que lleg´o a 139 USD por barril en Junio del 2008 y que podr´ıan llegar a los 150 d´olares por barril o m´as en los a˜nos venideros.

El mercado mundial de emisiones de CO2 que esta en 19 USD la tonelada y en el futuro podr´ıa llegar hasta los 40 o 60 d´olares la tonelada.

Las pol´ıticas voluntarias de varios Estados (Uni´on Europea, Estados Unidos, China, India, Brasil) mas iniciativas locales que crean incentivos especiales para usar tecnolog´ıas de FRE.

El progreso acelerado que han tenido las tecnolog´ıas de energ´ıas renovables.

El progreso acelerado que han tenido las tecnolog´ıas de energ´ıas renovables.

Es claro que las pol´ıticas p´ublicas de varios pa´ıses han ejercido una influencia fundamental en el crecimiento de los mercados actuales de las energ´ıas renovables. Todos los indicadores de los mercados mundiales de las energ´ıas renovables muestran que estas est´an creciendo aceleradamente [3]. La figura 2 muestra nuevas inversiones en energ´ıas renovables en los mercados mundiales, llegando al 2011 con 257,000 millones de d´olares. Sin embargo, y a pesar de este crecimiento, el uso de las FRE sigue siendo peque˜no comparado con el uso de los hidrocarburos. En la pr´oxima secci´on se muestra la estructura actual de la energ´ıa total y de la producci´on de electricidad en el mundo y en M´exico y las contribuciones de las ER.

En el a˜no 2010, la producci´on mundial de energ´ıa primaria lleg´o a los 12,789.3 millones de toneladas equivalentes de petr´oleo (Mtep, 1 Mtep = 41.84 × 109 J) y el consumo mundial de energ´ıa en ese mismo a˜no fue de 8,676.6 Mtep. La Figura 3 muestra, la producci´on mundial de energ´ıa primaria para ese a˜no [5]. El total de consumo de energ´ıa que corresponde a los hidrocarburos es del 81.2 %, indicando que son estos el motor del mundo industrializado. A las energ´ıas renovables les corresponde un 13.2 %, sin embargo las renovables tradicionales, principalmente la le˜na y la gran hidr´aulica sumadas dan el 12.1 %, dejando solo para las nuevas energ´ıas renovables el 0.6 %. Estas u´ ltimas incluyen geotermia, e´olica, solar y oce´anica. La figura 4 muestra la estructura de la producci´on de energ´ıa primaria en M´exico para el a˜no 2011, que correspondi´o a un total de 9,190.76 petajoules (PJ, 1 PJ = 1015 J). La dependencia del pa´ıs de los hidrocarburos es de 91.2 %, mayor al promedio mundial. La contribuci´on de las nuevas energ´ıas renovables excluyendo a la gran hidr´aulica y a la biomasa convencional (le˜na) es peque˜na, un poco abajo del 2 %, debi´endose fundamentalmente a la geotermia y a la e´olica [5]. Tanto a nivel mundial como a nivel nacional el uso de las energ´ıas renovables sigue siendo marginal. Es importante saber en que se consume parte de la energ´ıa que se produce en M´exico sumada a la que se importa y/o exporta. La Tabla 1 presenta el consumo final total de energ´ıa en el pa´ıs en los a˜nos 2010 y 2011 y su comparativo. Del consumo energ´etico total, en 2011, aproximadamente el 19 % se fue al sector residencial, comercial y p´ublico; el 46 % al sector transporte; el 27 % al industrial y solo el 3 % al sector agropecuario. Es claro que el sector que m´as energ´eticos consume, fundamentalmente carburantes, es el del transporte. En el 2011 hubo un incremento del consumo de energ´ıa total de 2.5 % comparado con el a˜no anterior, siendo el consumo justo en el sector transporte el que m´as aument´o. Las tecnolog´ıas actuales que aprovechan las FRE pueden ser utilizadas masivamente en estos sectores. Sin embargo, su penetraci´on en la mayor´ıa de los pa´ıses y en M´exico en parti-

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F IGURA 3. Consumo mundial de energ´ıa en 2010, 12,789.3 Mrep. Las Renovables incluyen hidr´aulica, e´olica, solar, geotermia, residuos y biomasa.

F IGURA 4. Estructura de la producci´on de energ´ıa primaria en M´exico (2011) [5]. Total: 9,190.76 PJ, todos los porcentajes son con respecto al total de la producci´on de energ´ıa primaria.

cular, no se hab´ıa dado debido a varios factores, entre ellos a dos: al precio/costo relativamente elevado de las tecnolog´ıas y a la ausencia, de pol´ıticas de estado que las promueva y las incentive. Durante d´ecadas, la introducci´on de estas tecnolog´ıas en el pa´ıs se dej´o totalmente a los precios de competencia del libre mercado mundial. Esto est´a cambiando, por ejemplo, en el 2008 se publica en M´exico, la Ley para el Aprovechamiento de Energ´ıas Renovables y el Financiamiento de la Transici´on Energ´etica (LAER-FTE). Se puede decir, que varias de estas tecnolog´ıas como la termosolar para calentamiento de agua de uso dom´estico o la e´olica, son totalmente competitivas en t´erminos comerciales, y otras lo ser´an en el futuro cercano. En un ejercicio responsable de planificaci´on energ´etica del pa´ıs donde se decidir´an que tecnolog´ıas deber´an impulsarse o implementarse, se deben tomar en consideraci´on puntos como: i) la seguridad en el suministro energ´etico, ii) las reservas energ´eticas con las que se cuenta, iii) los precios [p. ej. el precio del Mtep ($/Mtep) o el precio del kilowatt instalado ($/kW)] y los costos [p. ej. el costo en centavos del

kilowatt-hora producido (c$/kWh) de las tecnolog´ıas y iv) la minimizaci´on del impacto ambiental del uso de los sistemas energ´eticos. La Figura 5 presenta un escenario posible para la transformaci´on del sistema mundial de energ´ıa que satisface algunas de las condiciones de planificaci´on del p´arrafo anterior y que fue elaborado a partir del cumplimiento de las nuevas pol´ıticas energ´eticas que consideran una econom´ıa baja en carb´on para la protecci´on del medio ambiente [5]. El gr´afico de la izquierda muestra la historia de las contribuciones porcentuales de cada fuente primaria de energ´ıa desde 1970 hasta el 2030. Se ve que la tendencia del petr´oleo, a largo plazo, es de disminuir su cuota en el mercado internacional, mientras que el gas sigue aumentando. El reciente aumento de la contribuci´on del carb´on a la cuota de mercado pronto comenzar´a a revertirse, con una tendencia a la baja evidente en el 2020. La taza a la que las energ´ıas renovables est´an creciendo y penetrando los mercados mundiales de la energ´ıa tiene una marcada similitud con la aparici´on de la energ´ıa nuclear en los a˜nos 1970’s y 1980’s. El gr´afico de la derecha de la figura 5 muestra las contribuciones para satisfacer, por fuente primaria, el crecimiento de la demanda mundial de energ´ıa. Es notable observar que el crecimiento del consumo mundial de energ´ıa es satisfecho cada vez m´as por combustibles no f´osiles; las energ´ıas renovables, la energ´ıa nuclear y la hidroel´ectrica en conjunto representan el 34 % del crecimiento. Esta contribuci´on agregada no f´osil es, por primera vez, m´as grande que la contribuci´on de cualquier combustibles f´osiles por si solo. Para los pr´oximos 20 a˜nos, en este escenario que se considera plausible, las energ´ıas renovables por su cuenta contribuyen m´as al crecimiento mundial de la energ´ıa que el petr´oleo. La mayor contribuci´on de combustible proviene del gas, que alcanza el 31 % del crecimiento previsto de la energ´ıa global.

4.

Energ´ıas Renovables

La energ´ıa geot´ermica en M´exico es la m´as utilizada de todas las energ´ıas renovables, excluyendo a la gran hidr´aulica. M´exico ocupa el cuarto lugar a nivel mundial en aprovechamiento de esta fuente energ´etica. La capacidad instalada para generaci´on de potencia el´ectrica es de 953 megawatts el´ectricos (MWe). Se tienen identificados m´as de 300 sitios termales con el potencial de instalar otros 11,940 MWe. Esto representa casi el 20 % de la capacidad instalada en todo el pa´ıs en el a˜no 2010 que era de 60,795 MWe. Este potencial se considera mucho mayor por los yacimientos geot´ermicos de roca seca caliente que pueden existir en M´exico y cuya tecnolog´ıa de aprovechamiento est´a en desarrollo. La energ´ıa e´olica en M´exico ha tenido un desarrollo muy importante en a˜nos recientes. Aunque todav´ıa es limitado. En el 2011 se ten´ıan instalados y operando 519 MWe y 717 MWe adicionales est´an en construcci´on. Se espera que para el 2014 se alcancen m´as de 5,000 MWe [5] cuando entren en operaci´on todos los proyectos en desarrollo. El gobierno mexicano ha estimado el potencial e´olico del pa´ıs en los 71,000 MWe,

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TABLA I. Consumo final total de energ´ıa (petajoules) 2011 [5]

2010 Consumo final total

4,874.13

2011 4,994.82

Variaci´on

Estructura

porcentual ( %)

porcentual ( %)

2011/2010

2011

2.48

100

Consumo no energ´etico total

264.24

259.11

-1.94

5.19

Petroqu´ımica de Pemex

168.90

161.60

-4.32

3.24

Otras ramas

95.34

97.51

2.28

1.95

Consumo energ´etico total

4,609.89

4,735.71

2.73

94.81

Transporte

2,245.25

2,283.98

1.73

45.73

Industrial

1,298.08

1,363.42

5.03

27.30

Recidencial, comercial y p´ublico

921.25

928.25

0.76

18.58

Agropecuario

145.32

160.06

10.14

3.20

Fuente: Sistema de Informaci´on Energ´etica, Sener.

F IGURA 5. (Izquierda) Contribuci´on porcentual a la cuota de la energ´ıa primaria mundial. (Derecha) Aportaci´on de cada fuente primaria al crecimiento de la demanda energ´etica [6].

el cual considero muy elevado. Como se puede ver, si las tendencias siguen igual, esta tecnolog´ıa pronto rebasar´a a la geot´ermica. La bioenerg´ıa es otra fuente renovable de energ´ıa muy abundante en el pa´ıs. Representa el 5 % de la oferta interna de energ´ıa primaria en M´exico, esto es, 344 PJ/a˜no de los 7,367 PJ/a˜no en el a˜no 2008. Se estima que se tiene un potencial sustentable de 3,000 PJ/a˜no que equivaldr´ıa al 62 % de la energ´ıa final demanda debida a los sectores de consumo final energ´etico en el a˜no 2008 que fue de 4,814 PJ [5]. La capacidad hidroel´ectrica instalada en M´exico es de

10,707 MWe, pero existe todav´ıa un potencial muy importante 38,700 MWe de gran hidro que podr´ıa ser aprovechado. Al mismo tiempo, se estima que se podr´ıan aprovecharse hasta 3,250 MWe con plantas mini y micro hidr´aulicas en el pa´ıs [6]. En M´exico no existen centrales el´ectricas que utilicen la energ´ıa de los oc´eanos y tampoco existen proyectos de desarrollo de ning´un tipo de estas centrales. De hecho, el uso de la energ´ıa del mar no est´a muy extendido, en la actualidad, s´olo algunos pa´ıses del mundo como Francia cuentan con este tipo de tecnolog´ıa. Aunque el potencial del uso de

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la energ´ıa oce´anica para producci´on de energ´ıa el´ectrica no esta todav´ıa evaluado, se estima que podr´ıa ser superior a las anteriores.

5.

Energ´ıa Solar

Los recursos energ´eticos renovables, como ya se coment´o en la secci´on 1 son afortunadamente muy abundantes en el planeta. Solo como un ejemplo de la abundancia de las fuentes de ER, baste decir que la energ´ıa solar recibida cada 10 d´ıas sobre la Tierra equivale a todas las reservas conocidas de petr´oleo, carb´on y gas. La figura 6, muestra la distribuci´on de energ´ıa solar incidente en la Tierra dada en t´erminos de la insolaci´on diaria promedio anual medida en kilowatt-hora por m2 (kWh/m2) por a˜no. Los paralelos 40◦ N y 35◦ S definen la llamada ”Franja Solar o Cintur´on Solar”que tiene la peculiaridad de albergar al 70 % de la poblaci´on mundial y recibir la mayor cantidad de energ´ıa solar del planeta. Como se observa en la figura, M´exico queda dentro de esta franja y su potencial de aprovechamiento de energ´ıa solar es uno de los m´as altos del mundo. Alrededor de tres cuartas partes del territorio nacional son zonas con una insolaci´on media del orden de los 5 kWh/m2 al d´ıa, el doble del promedio en EUA. Particularmente la zona del noroeste del pa´ıs (los estados de Chihuahua, Sonora y Baja California) posee el recurso solar m´as abundante con insolaciones que rebasan los 6 kWh/m2 al d´ıa. ¿Como se aprovecha la energ´ıa solar? Empecemos diciendo que la energ´ıa solar es energ´ıa electromagn´etica emitida por nuestra estrella m´as cercana: el Sol, que al interaccionar con la materia dicha energ´ıa es transformada en otras formas de energ´ıa. Existen varios mecanismos naturales que transforman a la energ´ıa solar en otras formas de energ´ıa u´ til para el ser humano. Entre esos mecanismos se encuentran los f´ısicos, los qu´ımicos y los biol´ogicos. A continuaci´on se presentar´an las principales tecnolog´ıas que aprovechan estos mecanismos para satisfacer necesidades energ´eticas humanas.

6.

Tecnolog´ıas Fotovoltaicas

De las tecnolog´ıas solares, la fotovoltaica es en la actualidad la que tiene el m´as r´apido crecimiento a nivel mundial. Esta tecnolog´ıa est´a basada en las celdas solares. Como se sabe, la forma m´as com´un de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a trav´es de un circuito externo de modo de producir trabajo u´ til. Como se mencion´o anteriormente, la industria de los paneles fotovoltaicos est´a creciendo muy r´apidamente; los sistemas fotovoltaicos integrados a la red el´ectrica son los que mayor crecimiento han tenido. En los u´ ltimos a˜nos, en particular, los europeos son los que han instalado m´as sistemas

F IGURA 6. Distribuci´on de la energ´ıas solar en el mundo, kWh/m2 /a˜no [10].

fotovoltaicos en su regi´on. Esto es debido fundamentalmente a las pol´ıticas energ´eticas de la Uni´on Europea. Por otro lado, la fabricaci´on mundial de paneles fotovoltaicos en el 2005 fue dominada por los japoneses con el 46 % y fue seguido por los europeos con un 28 %. La capacidad instalada en M´exico de sistemas fotovoltaicos es de solo 8 millones de watts-pico (MWp) (2011). Esta cantidad es muy peque˜na comparado con lo que ocurre en otros pa´ıses como Espa˜na que tiene 4,338 MWp (2011) o Alemania que es de 17,370 MW. La capacidad instalada fotovoltaica en el 2010 alcanz´o los 40,000 MWp. Los mercados futuros de las celdas solares depender´an estrechamente del desarrollo de la tecnolog´ıa, en donde los esfuerzos de investigaci´on se centran en una combinaci´on de aumentar la eficiencia y bajar los costo de producci´on.

7.

Tecnolog´ıas de Calentadores Solares Agua

Otra tecnolog´ıa solar que esta muy desarrollada y cuenta con una industria ampliamente establecida a nivel mundial y que tambi´en se encuentra en r´apido crecimiento es la de los captadores solares para el calentamiento de agua para uso dom´estico. Existen varios dise˜nos de captadores solares: los planos, los de tubos evacuados, los de concentraci´on solar. En todos ellos la energ´ıa solar es captada en una superficie absorbente que transfiere el calor a un fluido, t´ıpicamente agua. A finales de 2010, la capacidad de colectores solares t´ermicos en operaci´on en todo el mundo era igual 195.8 gigawatt-t´ermico (GWt), correspondiente a 279,7 millones metros cuadrados. A finales del 2011 se estima que habr´a crecido en un 25 %, a 245 GWt (Weiss y Mauthner, 2012) . De esta cantidad, el 88.3 % corresponde a colectores solares de placa plana (FPC) y de tubos al vac´ıo (ETC), el 11 % corresponde a colectores sin cubierta de vidrio y solo el 0.7 % a colectores solares para calentamiento de aire con y sin cubierta de vidrios. [7]. La figura 7 muestra la capacidad total instalada de colectores solares para calentamiento de agua en funcionamiento en los 10 pa´ıses l´ıderes a finales de 2010. La gran mayor´ıa de

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F IGURA 7. Capacidad total instalada de colectores solares para calentamiento de agua en funcionamiento en los 10 pa´ıses l´ıderes a finales de 2010.

las colectores solares para agua con y sin cubierta de vidrio en funcionamiento est´an instalados en China (117.6 GWt), en Europa (36.0 GWt), y en Estados Unidos y Canad´a (16.0 GWt, la mayor´ıa son colectores no cubiertos de vidrio); en conjunto representan el 86.6 % del total instalado a nivel mundial [7]. En M´exico [8], en el a˜no 2010, se instalaron sistemas de captadores solares para calentamiento de agua en un a´ rea equivalente de 272,580 m2 , llegando a un acumulado de 1,665,502 m2 .

8.

Calentamiento Solar para Procesos Industriales

Un a´ rea relativamente nueva de aplicaci´on de la energ´ıa solar se da en los sectores comerciales e industriales. El sector industrial tiene uno de los consumos energ´eticos m´as elevados en el mundo; en M´exico corresponde al 26.3 % del consumo final total de energ´ıa. El uso de la energ´ıa solar en este sector es limitado a nivel mundial, pero tiene un gran potencial de desarrollo. Los principales requerimientos de energ´ıa para los procesos comerciales o industriales ocurren a temperaturas por debajo de los 250 ◦ C. Hay muchas aplicaciones para procesos en el sector industrial que requieren energ´ıa a temperaturas inferiores a los 80 ◦ C que pueden ser f´acilmente alcanzables con la tecnolog´ıa comercial de los captadores solares planos o tubos evacuados que se encuentran ya en el mercado. Para aquellas aplicaciones que necesitan temperaturas superiores a los 80 ◦ C y hasta los 250 ◦ C, se necesita desarrollar tanto los captadores solares de alta eficiencia como concentradores solares con sus diversas componentes para integrar sistemas. Entre esas aplicaciones se encuentran los sistemas para enfriamiento o refrigeraci´on. Actualmente hay 90 plantas termosolares para calor de proceso industrial reportadas en el mundo, con una capacidad instalada de cerca de los 25 megawatts-t´ermicos (MWt) (35,000 m2 ). El potencial es mucho mayor. S´olo en los pa´ıses de la Uni´on Europea (EU25), se estima que el potencial es de 100 a 125 GWt [9]. En M´exico esta tecnolog´ıa es totalmente incipiente.

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Potencia El´ectrica Termosolar

Finalmente, presentaremos las tecnolog´ıas termosolares para la generaci´on de electricidad. De todas las tecnolog´ıas solares, estas tienen un potencial de desarrollo muy elevado, de hecho en los u´ ltimos a˜nos han tenido un r´apido crecimiento. Estas tecnolog´ıas est´an basadas en sistemas o´ pticos de concentraci´on solar. Las plantas de potencia de concentraci´on solar (PPCS) producen potencia el´ectrica transformando la energ´ıa solar en energ´ıa t´ermica a alta temperatura. Esta energ´ıa t´ermica es transferida al bloque de potencia para producir electricidad. Las plantas de potencia de concentraci´on solar pueden ser dimensionadas para generar electricidad para poblados peque˜nos (10 kWe) o para aplicaciones conectadas a la red (hasta 100 MWe o m´as). Algunos sistemas usan almacenamiento t´ermico para per´ıodos de nublados o para usarse en la noche. Otras plantas pueden combinarse con sistemas que operan con gas natural y las plantas hibridas resultantes ofrecen potencia despachable de alto valor. Estos atributos, junto con el record mundial de eficiencia de conversi´on solar-el´ectrica (30 % de eficiencia), hacen que estas tecnolog´ıas sean una opci´on muy atractiva en zonas del planeta dentro del cintur´on solar con una alta insolaci´on, como las que existen en el noroeste del pa´ıs. Existen cuatro tecnolog´ıas que est´an siendo promovidas internacionalmente. Cada una de ellas puede variar en dise˜nos o en configuraci´on. La cantidad de potencia generada por una PPCS depende de la cantidad de radiaci´on solar directa que incide sobre ella. Estas tecnolog´ıas usan fundamentalmente radiaci´on solar directa. La figura 8 muestra fotograf´ıas de las cuatro arquitecturas que existen: cilindroparab´olicos, Fresnel-lineal, disco-Stirling y de receptor central. El ejemplo m´as emblem´atico de las PPCS es sin lugar a dudas el constituido por el complejo de potencia termosolar ubicado en Kramer Junction en California, los llamados SEGS (Solar Energy Generating Systems). Este complejo esta constituido por 9 plantas que utilizan concentradores del tipo cilindro-parab´olicos, y que en su conjunto ocupa una superficie de 2.5 millones de m2 de concentradores solares. Los 9 SEGS de diferentes capacidades suman en total 354 MWe. Este complejo termosolar se construy´o entre los a˜nos de 1986 y 1991. La experiencia en la operaci´on de los SEGS en California arroja 100 a˜nos equivalentes de operaci´on comercial demostrando tener las m´as altas eficiencias solares y produciendo la electricidad solar m´as barata con una alta disponibilidad de planta. Estas plantas fueron dise˜nadas como plantas h´ıbridas a gas con un 75 % solar y un 25 % de gas. La figura 9 muestra dos fotograf´ıas del complejo termosolar. En los u´ ltimos a˜nos, y despu´es de un largo periodo, de aproximadamente 15 a˜nos de no construir nuevas PPCS, se est´an construyendo a un ritmo acelerado, diferentes plantas en todo el mundo. El incremento es sorprendente y se puede afirmar que hay m´as de 10,000 MWe en operaci´on, construcci´on o desarrollo.

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F IGURA 8. Plantas de potencia de concentraci´on solar, cuatro arquitecturas: a) Cilindro-parab´olico, b) Fresnel-lineal, c) Plato-Stirling y d) Receptor Central.

F IGURA 9. Vista a´erea del complejo termosolar de Kramer Junction en California, EUA.

Como ejemplo de estas nuevas plantas se presenta a la PPCS Gemasolar ubicada en San Lucar La Mayor en Sevilla, Espa˜na. Esta es una planta de 19.9 MWe con arquitectura de receptor central y es la primera planta comercial en el mundo que aplica la tecnolog´ıa de receptor de torre central y almacenamiento t´ermico en sales fundidas. La producci´on el´ectrica neta es de 110 gigawatts-hora por a˜no (GWh/a˜no) y tiene

un campo solar con 2,650 heliostatos en 185 hect´areas. El sistema de almacenamiento t´ermico de la planta consiste de un tanque de almacenamiento de sales calientes que permite una autonom´ıa de generaci´on el´ectrica de hasta 15 horas sin aporte solar. La figura 10 muestra dos fotograf´ıas de la planta solar de torre central Gemasolar en operaci´on. Foto: Torresol Energy.

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F IGURA 10. Fotograf´ıas de la planta solar de torre central la planta solar de torre central Gemasolar en operaci´on. Foto: Torresol Energy.

y un campo de 15 heli´ostatos, cada uno de 36 m2 y con raz´on de concentraci´on de 25. Actualmente se lleva a cabo en el CPH el desarrollo y prueba de prototipos de heli´ostatos de fabricaci´on nacional, que son una de las componentes claves de la tecnolog´ıa de torre solar. En la segunda etapa del proyecto LACYQS que ha iniciado este a˜no, el CPH se transformar´a en una Planta Experimental de Torre Central, que contar´a con 82 heli´ostatos, para alcanzar una potencia total de 2 MW t´ermicos, con un nivel de concentraci´on de 900. Se desarrollar´a tambi´en un receptor t´ermico y sus componentes auxiliares, que permitir´an llevar a cabo investigaci´on sobre generaci´on el´ectrica [10], ver figura 11. Se espera que esta instalaci´on permita impulsar el desarrollo de una industria nacional de PPCS. F IGURA 11. Torre y heli´ostatos en el Campo de Prueba de Heli´ostatos en Hermosillo Sonora, 2011.

11. Conclusiones 10. Investigaci´on y desarrollo en M´exico en PPCS Son varios los grupos en M´exico que est´an trabajando en investigaci´on y desarrollo de tecnolog´ıas solares. Solo como un ejemplo de los esfuerzos que se est´an haciendo, en particular para impulsar las tecnolog´ıas de generaci´on de potencia termosolar, se menciona el Campo de Pruebas de Heli´ostato (CPH), recientemente inaugurado (Octubre, 2011) en Hermosillo, Sonora. El CPH se desarroll´o como uno de los subproyectos del proyecto denominado “Laboratorio Nacional de Sistemas de Concentraci´on y Qu´ımica Solar” (LACYQS), financiado por el CONACYT, la UNAM y la UNISON y cuya instituci´on responsable es el Centro de Investigaci´on en Energ´ıa de la UNAM. El objetivo general de dicho proyecto es dotar a M´exico de instalaciones de primer nivel para llevar a cabo investigaci´on y desarrollo tecnol´ogico en las tecnolog´ıas de concentraci´on solar, as´ı como ayudar a consolidar las redes de investigaci´on y la formaci´on de recursos humanos en el a´ rea. El CPH es una instalaci´on de tecnolog´ıa de torre solar, u´ nica en Latinoam´erica, que cuenta con una torre de 33 m de altura un laboratorio y cuarto de control anexos,

A manera de conclusi´on se presentan las siguientes ideas: La e´ poca de petr´oleo barato ha terminado y se espera un mix energ´etico mundial para los pr´oximos 20 a˜nos. La demanda energ´etica mundial est´a en continuo aumento a un ritmo de crecimiento anual del 2.47 %. En el mundo se ha iniciado ya un per´ıodo de transici´on energ´etica. Varios pa´ıses est´an implementando pol´ıticas que les permite ir cambiando su actual sistema energ´etico a uno sustentable. Las ER est´an creciendo, pero necesitan apoyo a largo plazo para asegurar su competitividad. Las energ´ıas renovables pueden cubrir el 50 % de la demanda energ´etica mundial a mediados del presente siglo. M´exico, como otros pa´ıs de Am´erica, requiere un cambio de paradigma energ´etico, que permita entrar de lleno a la transici´on energ´etica.

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Las ER son la soluci´on al problema energ´etico de M´exico, centroamerica y el caribe y de su desarrollo sustentable. Para garantizar el desarrollo sustentable de los pa´ıses, los estados nacionales debe comprometerse con una visi´on a largo plazo del aprovechamiento de las ER. La penetraci´on masiva de las ER precisa tambi´en de una serie de hitos tecnol´ogicos que permitan acelerar todo el proceso. Es necesario multiplicar el esfuerzo de apoyo p´ubli-

1. Balance Nacional de Energ´ıa. SENER 2012. 2. National Petroleum Council, 2007 after Craig, Cunningham and Saigo. 3. Panor´ama Energ´etico de M´exico. Reflexiones Acad´emicas Independientes. Consejo Consultivo de Ciencias, Coordinador Jorge Flores, 2011.

co a la investigaci´on-desarrollo-innovaci´on-educaci´on (I+D+i+E). Las ER son una gran oportunidad para la innovaci´on, el desarrollo cient´ıfico, tecnol´ogico, econ´omico y social de M´exico, centroamerica y el caribe. Dadas las condiciones actuales del desarrollo de las tecnolog´ıas de ER y en particular de la solar en el mundo, existe todav´ıa una gran oportunidad para que M´exico ingrese a la competencia mundial por el desarrollo de las ER.

8. http://www.snitt.org.mx/pdfs/bioenergeticos/Perspectivas Bioenergia Mexico.pdf. 9. http://elmer.unido.org/fileadmin/user media/unido. org Spanish/Regional Office Uruguay/uruguay/presentaciones /06 Hector Valdez - Minihidraulica Mexico.pdf 10. www.oksolar.com/abctech/world solar radiation.pdf.

5. Balance Nacional de Energ´ıa 2011. SENER.

11. Weiss, Werner and Franz Mauthner (2012), Solar Heat Worldwide – Markets and Contributions to the Energy Supply 2010, Solar Heating and Cooling Programme, AEE INTEC, Gleisdorf, Austria.

6. BP Energy Outlook 2030. Londres, Enero 2011.

12. Asociaci´on Nacional de Energ´ıa Solar. (www.anes.org 2011).

7. http://amdee.org/Proyectos/Proyectos %20 Elicos %20en %20 Mexico %202011.pdf

13. Doug McClenahan, 2007. IEA Solar Heating & Cooling Programme 2007, www.iea-shc.org.

4. Reporte del Estatus de Energ´ıas Renovables, REN 21 2012 (www.ren21.net)

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