Armando Llamas Terres Pedro Ponce Cruz Ricardo Fernández

Nuevas tecnologías energéticas

Armando Llamas TerresPedro Ponce Cruz

Ricardo Fernández

11

11.1.1 DefiniciónAplicación de nuevas formas de conversión de la energía empleando recur-sos naturales renovables para sustituir recursos tradicionales no renovables (combustibles fósiles), entre estas formas de energía se encuentran:

Solar (fotovoltaico y térmico)• Eólica• Biomasa• Celdas de combustible (hidrógeno)•

11.1.1.1 Energía eólicaLa energía eólica tuvo un desarrollo significativo alrededor de 1950 con apli-caciones muy sencillas como son sistemas de bombeo o para cargar pe-queñas baterías. En los años setenta se inició con la generación de energía eléctrica para suministro de las demandas de bajo voltaje, pero la explosión tecnología permitió el empleo de este recurso como una posibilidad rentable de generación para bajo, mediano y alto voltaje.

México sin lugar a dudas presenta un enorme potencial para la ge-neración de energía eólica. Tenemos un fuerte recurso de vientos en va-rias zonas de la república Mexicana, como se ha demostrado en Oaxaca donde se cumplen de manera formidable las condiciones necesarias

11.1 Descripción

Se prohíbe la reproducción total o parcial de este documento por cualquier medio, sin el previo consentimiento otorgado por escrito del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey a cualquier persona y/o actividad que sean ajenas al mismo.

156LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS

CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS

Figura 11.1 Mapa Eólico de Oaxaca

Fuente: National Renewable Energy Laboratory

para la generación Eolo-eléctrica. Dichas condiciones se muestran en la siguiente figura.

El desarrollo de los sistemas eólicos debe ir a la par con la demanda energética que presenta un crecimiento día con día. Asimismo, existen oportunidades de diseño e innovación en los aerogeneradores para hacerlos más eficientes, más capaces, más silenciosos, más baratos, etc. Lo anterior abre un gran número de líneas de investigación que permiten el desarrollo de esta oportunidad energética que muestra un gran potencial al explotarse de manera apropiada y que a su vez tiene la gran bondad de ser totalmente inocua al ecosistema.

11.1.1.2 Biomasa.El hombre ha utilizado la biomasa de diferentes maneras, la más antigua es generando calor mediante la quema de madera (combustión directa). Sin embargo la biomasa se refiera a toda la materia orgánica que puede provenir de árboles, plantas, desechos de animales, de la agricultura y urbanos.

La tecnología para el desarrollo de los bio combustibles ha avanzado a pasos agi-gantados ya que ha probado ser eficiente y limpia, atrayendo así grandes capitales de inversión y un gran interés en su investigación y desarrollo. Los procesos que dan pie a esta tecnología se pueden dividir en combustión directa, termo-químicos y bioquímicos.

Uno de los grandes componentes de este recurso alterno es el uso de combustibles sintetizados a partir de materia orgánica. Ejemplos de estos son el Bioetanol, del cual se producen actualmente 45 millones de litros en México pero que aún no tienen uso en el




transporte ni la generación eléctrica, sino en la industria química. Otro gran participante de esta fuente alterna es el biodiesel, combustible que se procesa a partir de grasas ani-males o vegetales, obteniendo así propiedades muy nobles y un bajo costo. Este último ha sido desarrollado como un proyecto conjunto del Tecnológico de Monterrey y Grupo Energético S.A.

Existen otro tipo de proyectos que utilizan la biomasa de desecho para genera ener-gía, tales como “Bioenergía Nuevo León S.A.” que utiliza biogás extraído de un relleno sanitario para generar energía eléctrica en un orden de 7 MegaWatts.

11.1.1.3 SolarLa energía solar se ha utilizado de distintas formas desde el principio de la civilización, siendo su principal uso el de calentar agua y algunos objetos. Albert Einstein recibió el premio Nobel de física en 1921 por la contribución a la mecánica cuántica donde habló del efecto fotoeléctrico. Este se basa en la energía que tiene la onda electromagnética (luz). la cual al estar en contacto con ciertos materiales (Si, Se, Ga, As) genera una dife-rencia de potencial al orientar sus átomos en cierta dirección.

La ubicación global de México (entre el Ecuador y el Trópico de Cáncer) hace de este un país con un enorme potencial para el aprovechamiento de la energía solar. Esta energía puede ser utilizada tanto de manera térmica como para la generación eléctrica mediante el efecto foto-voltaico. A pesar de que la eficiencia en el aprovechamiento de la energía solar es actualmente baja (25% aprox), se ha calculado que podemos tener una generación de 6000 GigaWatts-hora por año según experimentos que se han llevado a cabo en el norte del país. La siguiente figura muestra un mapa de insolación en territorio Mexicano.

Figura 11.2 Mapa de insolación en México

Fuente: National Renewable Energy Laboratory




Gráfica 11.1 Estado de la producción mundial de energía eléctrica por fuente.1

1) Keyword energy statistics 2005. International Energy Agency.

Una de las aplicaciones experimentales de la energía solar para generar electricidad ha sido una torre solar de enfriamiento que genera hasta 200 MW; se pueden usar tam-bién máquinas térmicas tales como el motor Stirling que podría llevar energía eléctrica a donde no llega la red nacional. Sin embargo, es en la práctica donde las aplicaciones solares realmente sorprenden, como la instalación de calentadores de agua solares que utilizan la energía térmica del sol para proveer a las familias de agua caliente para cocinar o para su higiene personal. Se utilizan también paneles foto-voltaicos para generación de energía eléctrica en pequeña escala en comunidades donde es muy difícil acercar el tendido eléctrico o cualquier lugar donde se quiera aprovechar este recurso renovable.

La evolución y desarrollo tecnológico son la base de nuestra megatendencia, esta ha propiciado cambios en la tecnología, cambiando la manera de generar electricidad y creando una economía de energía alternativa.

11.1.2 DetonadoresMéxico se encuentra en un momento de decisión, las estimaciones de reservas probadas de petróleo ascienden solamente a poco más de 9 años, por lo tanto se deben tomar acciones para lograr cubrir la demanda de energía, generándola de otra manera.

A nivel mundial, como se aprecia en la figura 11.2, se está haciendo uso masivo de los combustibles fósiles para la generación eléctrica que, entre otras acciones, ha traído como consecuencia un aumento en los índices de contaminación provocando un incre-mento en las emisiones de co2, provocando el calentamiento global.

Otras 0.5%

Hidroeléctrtico 2.2%

Nuclear 6.5%

Gas natural 21.2%

Petroleo 21.2%

Carbon 24.4%

Combustibles renobables y desperdicios 10.8%

Carbon 24.4%

Petroleo 21.2%

Gas natural 21.2%

Fuente: Elaboración propia.





En México las situación no es diferente ya que de acuerdo con la Secretaría de Ener-gía un 75% de la energía eléctrica que se consume en México se genera mediante la que-ma de combustibles fósiles. Sin embargo se cuenta con un gran potencial para producir energía eléctrica aprovechando los recursos renovables, como se muestra en la tabla 1.

Altos niveles de insolación Zonas con alta intensidad de vientos

Potenciales de uso de biomasa.

5 kWh/m2-día en promedio 2,900 mw datos por cfe 1,000 mw en biomasa cañera

Tabla 11.1 Potencial Energético en México

11.1.3 Comportamientos tecnológicosEl precio y la demanda incremental de la energía eléctrica, aunados a una conciencia ambiental han dado lugar al desarrollo de energías alternas para la producción de elec-tricidad. Estas tecnologías buscan una generación más eficiente, sin repercusiones al medio ambiente y que minimice el impacto a la salud mundial. En base a esto se han desarrollado nuevos métodos de generación y distintos protocolos (El Protocolo de Kyo-to, por ejemplo) que buscan aprovechar al máximo los recursos naturales.

11.2 Temas de investigación

Temas de investigación asociados:

En ingeniería de materiales: Silicio Monocristalino y Polímeros Conjugados

Desarrollo de nuevas tecnologías en celdas de combustible

Electrónica de Potencia

Uso del hidrógeno en transporte

Almacenamiento de hidrógeno como auxiliar en la generación eléctrica

Conversión de biomasa (biodiesel y etanol)

Turbinas de velocidad variable

Ciclos solares de mayor potencia

Tabla 11.2 Temas de investigación


11.3 Tecnologías existentes

Dentro de las tecnologías existentes relacionadas con la megatendencia se encuentran:




Tabla 11.3 Tecnologías existentes

Ácido fosfórico

Adecuación de unidades rectificadoras

Aerogeneradores

Aleaciones de metales

Anemómetros

Bombas de calor geotérmicas

Cálculos del abrigo del viento

Captores de calor subterráneo

Procesos termodinámicos (Ciclos Brayton, Ciclos Rankine, Ciclos Stirling y Ciclos combinados)

Cilindros de hormigón

Colectores solares

Combustibles alcohólicos

Conductos para distribución de aire

Controladores híbridos

Convección natural y forzada

Conversiones fotovoltaicas

Digestión anaeróbica

Diseños aerodinámicos y de generadores asíncronos

Dispositivos electrónicos

Turbinas: de Kaplan de eje horizontal y reversibles, hidráulicas verticales y de diferentes capacidades.

Sistemas eólicos, solares térmicos y fotovoltaicos, y termodinámicos

Intercambiadores geotérmicos (vertical y horizontal)

Enriquecimiento de uranio

Fluidos alternos al vapor de agua

Generación híbrida con ciclos eólicos

Ingeniería hidráulica y mecánica

Inversores matriciales

Licuefacción de hidrógeno

Captura de co2

Ósmosis inversa

Evaluaciones físicas ( de rugosidad, del cizallamiento, del efecto de la estela y del efecto del parque)

Paneles solares

Rellenos sanitarios

Supercondensadores

Transesterificación





Transformadores

Turbogeneradores

Electrónica de potencia y semiconductores

Electrólisis solar

Ingeniería de fluidos, y de materiales fotosensibles

Sistemas de telecontrol y de control autónomo

Tecnologías de ensamble, de refrigeración, electrolíticas y de construcción

Instalación de pequeños rotores unidos a un mismo generado

11.4 Tecnologías emergentes

Dentro de las tecnologías emergentes se identificaron:

Tabla 11.4 Tecnologías emergentes

Técnicas de pwm

Tecnologías fototérmicas y termonucleares

Vapor seco

Puntos cuánticos

Polímeros sólidos y conjugados

Plasma

Plantaciones energéticas

Óxidos sólidos

Materiales (compuestos y fotosensibles)

Membranas de intercambio protónico

Modulación de vectores espaciales (spwm)

Nanotubos de carbono

Materiales celulosos

Manejo de polímeros

Empleo de igbts

Carbonatos fundidos

Generación de hidrógeno





Tabla 11.5 Energía eólica

Tabla 11.6 Energía solar


11.5.1 Lista de productos y serviciosAlgunos de los productos y servicios generados por la Megatendencia el las áreas de energía eólica, energía solar, baterías y celdas de combustible, biocombustibles, hidró-geno, energía nuclear, energía geotérmica, energía hidráulica, energía del mar, y energía termoeléctrica, son:

Energía eólica

Turbinas eólicas de eje vertical, velocidad variable y de diferentes capacidades

Servicios de adecuación de capacidad de turbina según punto de distribución

Micro-turbinas de vientos

Aerogeneradores y aeromotores

Desalinizadores eólicos

Diseño de turbinas (aspas, torre, sistema de frenado, tren de engranes)

Generadores eólicos controlados por inteligencia artificial

Sistemas eólicos híbridos

Aerogeneradores para mar adentro

Parques eólicos

Energía solar

Materiales fotosensibles

Celdas fotovoltaicas libres de silicio y de combustible regenerativas

Sistemas híbridos de celdas fotovoltaicas

Turbinas de alto rendimiento

Generadores pequeños para sistemas parabólicos

Máquinas de mayor potencia

Seguimiento del sol

Gases de trabajo

Paneles solares

Bombeo fotovoltaico

Calentadores de agua para uso doméstico o industrial

Inversores

Torres autoportantes y retenidas de energía solar

11.5 Productos y servicios





Energía solar

Fluidos secos (como el tolueno)

Albercas solares

Colectores solares de mayor nivel de absorción

Fluidos alternos al vapor de agua


Células solares semiconductoras

Estufas solares

Aparatos de calefacción y refrigeración

Lámparas de alumbrado público con paneles solares

Tabla 11.7 Baterías y celdas de combustible

Tabla 11.8 Biocombustibles

Tabla 11.9 Hidrógeno

Baterías y celdas de combustible

Baterías de alta densidad

Súper-baterías




Biocombustibles

Celdas de combustible de metanol directo (dmfc)

Biodiesel, bioetanol y biogas•

Biodigestores anaeróbicos Metanol•

Hidrógeno

Celdas y contenedores para transporte de energía

Producción de hidrógeno

Celdas de combustible

Tabla 11.10 Energía nuclear


Energía nuclear

Fisión nuclear

Fusión nuclear




Tabla 11.11 Energía geotérmica

Tabla 11.12 Energía hidráulica

Tabla 11.13 Energía del mar

Tabla 11.14 Energía termoeléctrica

Tabla 11.15 Taxonomía





Energía geotérmica

Desalinizadores geotérmicos

Plantas de generación eléctrica

Sistemas de calefacción de piscinas

Energía hidráulica

Mini-hidráulicas

Mini-turbinas de baja potencia para venta masiva

Energía del mar

Convertidores noruegos de Kvaerner

Convertidores dentro del mar y de energía térmica-oceánica

Centrales maremotrices

Columnas de agua oscilatorias

Energía termoeléctrica

Turbinas de ciclo combinado

11.6 Taxonomía

Áreas de aplicación

Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios

Energía eólica Turbinas y generadores

Ingeniería mecánica

Turbinas eólicas de eje verticalDiseño de generador asíncrono

Diseño aerodinámico






Energía eólica

Turbinas y generadores

Ingeniería mecánicaTurbinas eólicas de velocidad variableTecnología de refrigeración


Tecnología de ensambleTurbinas eólicas de diferentes capacidadesTecnología de refrigeración


Instalación de pequeños rotores unidos a un mismo generador Micro-turbinas de vientosDiseño aerodinámico

Ingeniería mecánicaDiseño de turbinas (aspas, torre, sistema de frenado, tren de engranes)

Ingeniería de materiales


Sistemas híbridos de generación

Turbinas de diferentes capacidades

Sistemas eólicos híbridos

Controladores híbridos

Adecuación de unidades rectificadoras


Tecnología de ensamble

Diseño y eficiencia

Evaluación de rugosidad

Servicios de adecuación de capacidad de turbina según punto de distribución

Evaluación del cizallamiento

Cálculo del abrigo del viento

Evaluación del efecto de la estela

Evaluación del efecto del parque



Parques eólicosSistema de telecontrol

Dispositivos electrónicos

Transformador

Anemómetro

Ingeniería mecánicaAerogeneradores


Ingeniería mecánica Aeromotores

Ingeniería mecánica Aerogeneradores para mar adentroDiseño aerodinámico






Energía eólica


Tecnología de ensambleGeneradores eólicos controlados por inteligencia artificial


Sistemas de control autónomo

Sistema eólico Desalinizadores eólicos

Energía solar

Conversión fotovoltaicaMateriales fotosensiblesIngeniería de materiales

fotosensibles

Convección naturalTorres autoportantes y retenidas de energía solarConvección forzada

Colectores solares

Materiales fotosensibles

Celdas fotovoltaicas libres de silicio

Polímeros conjugados

Puntos cuánticos

Ingeniería de materiales fotosensibles

Electrólisis solar Celdas de combustible regenerativasPaneles solares

Modulación de vector espacial (spwm) Inversores

Generación híbrida con ciclos eólicos

Sistemas híbridos de celdas fotovoltaicas

Generación de hidrógeno

Sistemas solares térmicos y fotovoltaicos

Conversión fotovoltaica

Ingeniería de materiales fotosensibles

Ciclo rankine Turbinas de alto rendimiento

Ciclo rankine Fluidos secos (como el tolueno)Vapor seco

Ciclo rankine

Albercas solaresColectores solares

Tecnologías fototérmicas

Ciclo Stirling Máquinas de mayor potencia






Energía solar


Ciclo StirlingSeguimiento del solIngeniería de materiales

fotosensibles

Ciclo StirlingGases de trabajo

Generadores pequeños para sistemas parabólicos

Ingeniería de fluidos Fluidos alternos al vapor de agua

Empleo de igbt’sInversores matriciales

Técnicas de pwm

Equipo e instalaciones

Tecnologías fototérmicas Colectores solares de mayor nivel de absorciónCiclo Brayton

Ingeniería de materiales fotosensibles Células solares

semiconductorasSistemas fotovoltaicos

Colectores solares Paneles solares

Colectores solaresEstufas solares

Tecnologías fototérmicas

Sistemas fotovoltaicos Bombeo fotovoltaico

Colectores solares Calentadores de agua para uso doméstico o industrialTecnologías fototérmicas

Sistemas fotovoltaicosLámparas de alumbrado público con paneles solares

Sistemas solares térmicos y fotovoltaicos Aparatos de calefacción/

refrigeraciónTecnologías fototérmicas

Baterías y celdas de combustible Fuentes de energía portátil

Supercondensadores Super-baterías

Nanotubos de carbono Baterías de alta densidad

Biocombustibles

Construcción y diseño Tecnologías de construcción Biodigestores anaeróbicos

Procesos químicos


MetanolMateriales celulosos



Manejo de polímeros Celdas de combustible de metanol directo (dmfc)Electrólisis






Biocombustibles

Procesos químicos

Rellenos sanitariosBiogas

Digestión anaeróbica

Utilización de grasas animales

BiodieselMateriales celulosos




BioetanolMateriales celulosos



Hidrógeno

Polímeros sólidos

Celdas de combustible

Óxidos sólidos

Ácido fosfórico

Membranas de intercambio protónico

Carbonatos fundidos

Obtención a partir de metanol

Producción de hidrógeno

Obtención por electrólisis

Obtención por captura de c02

Ingeniería de materialesCombustible cerámico compuesto

Materiales compuestos

Criogénica Licuefacción de hidrógeno Celdas y contenedores para transporte de energía

Energía nuclear

Reactores nuclearesEnriquecimiento de uranio Fisión nuclear

Tecnología termonuclear

Fusión nuclearGases Plasma

Ingeniería de materiales Aleaciones de metales

Energía geotérmica

Membranas Ósmosis inversa Desalinizadores geotérmicos

Sistemas térmicos


Aparatos de calefacción y rerigeración


Intercambiadores geotérmicos (vertical y horizontal)

Conductos para distribución de aire

Sistemas termodinámicos







Captores de calor subterráneoPlantas de generación eléctricaTurbogeneradores

Vapor seco


Sistemas de calefacción de piscinas


Sistemas termodinámicos

Vapor seco

Energía hidraúlica Equipo e instalacionesIngeniería hidraúlica Mini-hidráulicas

Ingeniería hidraúlica Mini-turbinas de baja potencia para venta masiva

Energía del mar

Construcción y diseño Cilindros de hormigón Convertidores noruego de kvaerner

Turbinas y generadores

Turbinas

Turbinas hidráulicas verticales Convertidores dentro del marTecnología electrolítica

Turbinas de kaplan de eje horizontal y reversibles Central maremotriz

Turbogeneradores Central maremotriz

Aerogeneradores Columnas de agua oscilatoria

Turbogenerador Convertidores de energía térmica oceánica

Energía termoeléctrica

Ciclos combinadosTurbinas de ciclo combinadoFluidos Fluidos alternos al vapor de

agua


Documents

Armando Llamas Terres Pedro Ponce Cruz Ricardo Fernández