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Tendencia tecnológica
Panorama actual de los recursos energéticos renovables
Ubaldo Miranda Miranda, Ricardo Saldaña Flores e Hipólito Romero Tehuitzil
Abstract
The development of renewable energy projects largely depends on the knowledge of its energetic potential. In recent years there has been a global movement focused towards the evaluation and characterization of renewable energy resources, which has led to the development of different methods whose application has gradually become common in the world. The determination of the energetic potential of renewable resources foresees the necessity of databases, obtained from measurements or through models that provide an understanding of their behavior. This reduces the risk from the technical point of view, on the implementation of projects for their harnessing.
Introducción
El aprovechamiento de las energías renovables ha tenido un marcado crecimiento en los últimos años, que porcentualmente supera al de las fuentes convencionales.
La preocupación por el cambio climático, los compromisos de los países para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, los avances tecnológicos aunados a los problemas petroleros son algunos de los motores que han impulsado este rápido crecimiento. Se estima que a nivel mundial, la generación renovable aumentará a 25% de la generación bruta de electricidad en 2018, frente al 20% en 2011 y 19% en 2006.
México participa en estas políticas de desarrollo limpio, poniéndose las metas de reducir en 30% las emisiones para el año 2020, e incrementar el porcentaje de energías no fósiles para la generación de electricidad hasta por lo menos 35% para el año 2024. Al respecto se han realizado estimaciones que muestran un escenario de instalación de más de 18,000 MW de renovables al año 2018, que repre-sentaría una participación del 29%.
El desarrollo de proyectos con energías renovables depende en gran medida del conocimiento que se tiene de éstas, ya que los costos de producción de energía eléctrica son muy sensibles a la precisión de los datos.
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El desarrollo de proyectos con energías renovables depende en gran medida del conocimiento que se tiene de éstas, es decir, la distribución temporal y espa-cial, ya que los costos de producción de energía eléctrica son muy sensibles a la precisión de los datos. Sin embargo, a pesar de su gran importancia, en la actualidad no se conoce con detalle el potencial de cada país.
En años recientes se ha dado un gran movimiento internacional enfocado a la evaluación de los recursos energéticos renovables, que ha propiciado el desa-rrollo de tecnologías y métodos que poco a poco se van generalizando en el mundo.
Energía eólica
Es uno de los recursos renovables más baratos y seguros para generar electri-cidad. A nivel mundial, la generación eoloeléctrica ha tenido un acelerado crecimiento. Tan solo en 2012 se instalaron cerca de 45 GW, llegando a una
capacidad instalada de poco más de 282 GW. Actualmente son 24 países los que cuentan con una capacidad instalada mayor a 1 GW: 16 en Europa, cuatro en Asia-Pacífico y cuatro en América, siendo uno de ellos México, que para finales de 2012 contaba con 1.37 GW. A nivel mundial, la mayor parte de la potencia instalada se encuentra en tierra, solamente el 2% en el mar.
Para determinar el potencial eólico de un sitio es necesario contar con series de datos de viento, las cuales se obtienen, generalmente, realizando medi-ciones con anemómetros de copas colocados en torres, cuya representatividad no va más allá de unos cuantos kilómetros. Esto implica grandes apuestas económicas y la espera de varios años para generar los suficientes datos que muestren la variabilidad del viento local, lo cual es indis-pensable para disminuir el riesgo de los proyectos eoloeléctricos.
Una opción para generar bases de datos es el uso de modelos. Típicamente se emplean modelos meteorológicos usados en la predicción del clima. La selección del modelo se hace tomando en cuenta diversos aspectos: tamaño de la región de estudio, resolución requerida, disponibilidad de datos de entrada, etc. La combinación de medi-ciones anemométricas con modelos meteoroló-gicos proporciona información valiosa que permite definir regiones que muestren las mejores opciones para el desarrollo de proyectos. De esta manera se puede hacer una planeación para estudiar con mayor detalle algún sitio de interés, lo cual repre-senta una reducción de tiempo y costo.
En México se emplean estos métodos, pero son pocas las instituciones mexicanas que realizan modelaciones con estos fines, aunque hay empresas internacionales que ofrecen datos y servicios de monitoreo. Entre las instituciones que emplean modelos meteorológicos de mesoescala se encuen-tran la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A. C. (IPICYT), la Comi-sión Federal de Electricidad (CFE), la Universidad Veracruzana (UV), la Universidad de Colima (U de C) y el Centro de Investigación Científica y Educa-ción Superior de Ensenada, B. C. (CICESE).
La Gerencia de Energías No Convencionales del Instituto de Investigaciones Eléctricas (GENC-IIE)
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ha trabajado en el tema eólico desde hace más de 35 años. En este tiempo ha llevado a cabo medi-ciones de viento en más de un centenar de sitios estratégicos, adaptando sus métodos a las mejores prácticas internacionales. Por ejemplo, hace algunos años se monitoreaba a alturas de diez metros y actualmente se tienen torres de 80 metros, esto por la tendencia de medir a la altura del centro del rotor de las máquinas eólicas. Hoy en día, la GENC-IIE cuenta con una red de estaciones ubicadas en diversos sitios del país, que forman parte del Laboratorio Nacional para la Evaluación de los Recursos Energéticos Renovables en México (LERM). Asimismo ha incursionado en la modela-ción de viento. De hecho se tiene implementado, en servidores del IIE, el modelo Regional Atmos-pheric Modeling System (RAMS), desarrollado en la Universidad de Colorado. De igual manera se ha realizado trabajo conjunto con la UNAM, para la generación de bases de datos de viento horarias empleando el PSU/NCAR mesoscale model, cono-cido como MM5. Algunos de estos resultados se emplearon para generar la cartografía eólica de México que fue presentada oficialmente en la COP16 en Cancún, México, y que puede ser consultada en el sitio de la GENC: http://sag01.iie.org.mx/erri.
Energía oceánica
Los océanos representan aproximadamente el 71% de la superficie de la tierra y cuentan con energía que puede ser aprovechada para la generación de electricidad. Existen diversas manifestaciones: olas, mareas, corrientes, gradiente térmico y gradiente salino.
Se ha estimado que la energía aprovechable del mar es seis veces mayor al consumo actual, lo que representa una fuente de energía muy atractiva. Sin embargo, los estudios son escasos y muestran resul-tados muy variados, ya que consideran la evolución de la tecnología, la cual, salvo la que se refiere al aprovechamiento de las mareas, se encuentra en la fase de prototipo.
Las proyecciones mundiales que se hacen para los próximos cinco años, relacionadas con la capacidad instalada de todas las energías limpias, muestran valores que superan los 770 GW, pero la única fuente que no tiene cambio significativo y que
continúa como el menor contribuyente es la energía oceánica, ya que su valor se mantiene alrededor de 1 GW.
En el caso de generación eléctrica a partir de las olas, Portugal es el país más adelantado, aunque existen varios países que están desarrollando y probando esta tecnología desde hace ya varios años como Escocia, Irlanda, Australia e India.
Por lo que respecta a las mareas, Francia es quien cuenta con la mayor expe-riencia, ya que desde 1966 construyó una central de 240 MW. También hay otros países que están trabajando en este campo y que cuentan con pequeños proyectos, como por ejemplo China, Canadá y Rusia.
En corrientes marinas, Irlanda del Norte cuenta con un sistema de 1.2 MW, con el cual ha inyectado energía eléctrica a la red, mientras que trabajando en la energía producida por los gradientes salino y térmico se encuentran India, Holanda, Japón, Noruega y Estados Unidos.
La técnica para determinar el potencial de olas, mareas y corrientes marinas se basa en la instalación de sensores en el fondo del mar o en boyas, que a partir del monitoreo de presión y aprovechando el efecto Doppler se determina la altura y frecuencia de las olas o mareas, así como el perfil de la corriente. También se hace investigación empleando imágenes de satélite y aplicando modelos oceánicos, los cuales se acoplan a aquellos modelos meteorológicos que predicen el viento y de esta manera también se hace la predicción de oleaje, entre otros parámetros.
México cuenta con poco más de 11,000 kilómetros de costa y por lo tanto con grandes posibilidades de explorar y aprovechar su recurso energético. En el extremo norte del Golfo de California existen mareas que superan los seis metros de altura y se estima una potencia del orden de 3.4 GW. Por otro lado, la entrada y salida de grandes masas de agua provocan fuertes corrientes
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marinas en sitios como el Canal de Infiernillo y el Canal de Ballenas, con velocidades entre 3 m/s y 4 m/s, con una potencia aprovechable de 5 kW/m². Otras dos opciones en esta región del país son la geotermia costera y ventilas hidrotérmicas. El Instituto de Ingeniería de la UNAM está llevando a cabo estudios de los recursos en el mar de Cortés y en el Canal de Cozumel, donde existen corrientes marinas importantes.
Algunas instituciones en México han realizado o están realizando mediciones con equipo oceanográfico, entre ellas se encuentran el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA), la Secretaría de Marina (SEMAR), el Instituto Mexicano del Transporte (IMT), el CICESE y la UNAM.
La GENC, dentro del marco del LERM y en coordinación con el Instituto de Ciencias Marinas y Pesquerías de la UV y el Centro de Investigaciones Biológicas de Noroeste se encuentra realizando mediciones de olas, mareas y corrientes marinas en el Golfo de México y el Golfo de California. El obje-tivo es crear una red de monitoreo en zonas prometedoras y al mismo tiempo crear una red de instituciones con la que se comparta los datos, los métodos de procesamiento y los resultados.
Energía solar
Ésta es abundante en la mayoría del planeta y es una fuente natural e inago-table, capaz de proveer de energía eléctrica con cero o casi cero emisiones. En su paso a través de la atmósfera, parte de la radiación solar es atenuada por dispersión y otra parte por absorción. La radiación que es dispersada por la atmósfera se conoce como radiación difusa. A la radiación que llega a la super-ficie de la tierra sin haber sufrido cambio en su trayectoria lineal desde el disco solar se llama radiación directa. La radiación global es la suma de la radiación difusa y la radiación directa.
A finales de 2012, a nivel mundial había una capa-cidad total instalada de 100 GW de sistemas foto-voltaicos, mientras que para concentración solar había 2.5 GW, lo cual representa 6.8% y 0.2% respectivamente, de la capacidad total instalada de energías renovables.
Para estudios de proyectos fotovoltaicos se emplean datos de radiación global, mientras que para proyectos de concentración solar se utiliza informa-ción de radiación directa. El principal instrumento para medir la radiación solar global es el piranó-
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metro y para medir la radiación directa se utiliza el pirheliómetro. Otra manera de determinar la radiación directa es midiendo la radiación global y al mismo tiempo medir la radiación difusa con un piranómetro idéntico, pero cubierto con un aro de sombra especial.
Una opción para obtener datos de radiación solar es mediante modelos, de los cuales hay una gran variedad en el mundo. Algunos utilizan la cober-tura de cielo, obtenida de observaciones directas, otros utilizan imágenes satelitales y en otros casos se emplean técnicas estadísticas. Diversas instituciones y empresas han aprovechado estas ventajas y han creado bases de datos y cartografía, que en algunos casos se encuentran disponibles de manera gratuita.
En México la UNAM, la UV, la U de C y el IIE son las principales instituciones que han realizado mapas del recurso solar a nivel nacional. Como parte de las acciones encaminadas a la elaboración del Inventario Nacional de los Recursos Energé-ticos Renovables, el IIE generó mapas mensuales de irradiación solar global, directa y difusa, con base en información obtenida en más de 400 estaciones terrenas.
Energía minihidráulica
El aprovechamiento del recurso minihidráulico inició con el uso de ruedas hidráulicas para la producción de fuerza motriz, que acompañaron el nacimiento de la era industrial antes de la llegada del motor de vapor.
El proceso de conversión del recurso hidráulico más difundido actualmente es la producción de energía eléctrica, tecnología con la que se alcanzan altos niveles de eficiencia.
En 2011, la capacidad instalada de pequeñas centrales hidroeléctricas a nivel mundial era de 106.7 GW. Los países con mayor capacidad son China 55.3%, India 9% y Estados Unidos 6.9%. Según estimaciones realizadas en 2005, en México existe un potencial para el aprovechamiento del recurso hidráulico con centrales menores a los 10 MW de 3,250 MW.
El potencial energético de una cierta sección de un río depende de su caudal y desnivel. El caudal es la
cantidad de agua que pasa en un cierto tiempo por una sección del cauce, y el desnivel es la componente vertical de la distancia que recorre dicha masa de agua.
Para evaluar el recurso hidráulico se requiere conocer cómo evoluciona el caudal a lo largo del tiempo. Una manera de hacerlo es mediante estaciones de medición instaladas en sitios estratégicos del río. Típicamente se monitorean los grandes ríos, por lo cual la primera dificultad para determinar el potencial minihidráulico es la falta de datos. En estos casos se recurre a modelos hidroló-gicos, de los cuales existe una amplia variedad en el mundo.
Actualmente existe en México un renovado interés por la generación de energía eléctrica aprovechando las caídas de agua de ríos y canales. La CFE, así como algunas empresas particulares, realizan estudios de viabilidad en diversos ríos del país. En estas investigaciones se emplean métodos y herramientas compu-tacionales al igual que trabajo de campo, compatible con lo que utiliza la comunidad internacional dedicada al tema.
El IIE cuenta con equipo de medición y programas computacionales con los cuales, en coordinación con otras instituciones de investigación, ha llevado acabo estimaciones del potencial minihidráulico en algunos sitios de interés del país.
Biomasa
Previo al uso de combustibles fósiles, la biomasa fue la fuente primaria de energía por medio del calor de combustión. La biomasa combina la energía solar y el dióxido de carbono en energía química, en la forma de carbohidratos por el proceso de fotosíntesis. El uso de la biomasa como combustible es un
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proceso neutral de carbono, ya que el CO2 capturado durante la fotosíntesis es liberado durante su combustión. La fotosíntesis en las plantas captura cerca de 4,000 EJ/año en la forma de energía en biomasa y alimentos. Consciente de la problemática energética y ambiental derivada del consumo de combustibles fósiles la Unión Europea ha establecido unos objetivos energéticos conocidos como el triple 20 para el 2020 (Directiva 2009/28/CE). Éstos consisten en la disminución de un 20% en el consumo de energía, reducción de un 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero y un aumento de hasta el 20% en la cuota de participación de las energías renovables. El desarrollo tecnoló-gico europeo en biomasa es la punta de lanza a nivel mundial. El estimado de la energía potencial global de biomasa varía ampliamente en la literatura. La variabilidad se da entre las diferentes fuentes de biomasa y los diferentes métodos para determinarla.
El observatorio de la situación de las energías renovables en Europa, Eurobserv´ ER Barometer, distingue de la bioenergía o biomasa en sentido amplio cuatro fuentes energéticas: 1. Biomasa sólida. Aprovechamiento térmico o eléctrico de la materia orgánica de origen vegetal o animal que incluye los cultivos energé-ticos, residuos forestales, agrícolas leñosos, agrícolas herbáceos, residuos de indus-trias forestales y agrícolas. 2. Biogás. Está asociado a la metanización del proceso de fermentación anaeróbica de los componentes orgánicos de los residuos. Puede proceder de la metanización natural de los residuos sólidos urbanos depositados en los vertederos o puede producirse en digestores anaerobios. 3. Fracción orgá-nica de residuos sólidos urbanos. Son los residuos orgánicos procedentes de jardines y parques, de las cocinas y los alimentos de los hogares, etc. La gestión de residuos sólidos urbanos contempla el siguiente orden de prioridad: a) preven-ción o reducción de producción de residuos, b) recuperación de residuos por medio del reciclaje, la reutilización y la recolección o cualquier otro proceso que permita extraer materias primas secundarias, c) uso de residuos como fuente de energía (comúnmente incineración), d) vertido de residuos. 4. Biocarburantes. Son los combustibles líquidos de origen biológico, que por sus características físi-co-químicas resultan adecuados para sustituir a la gasolina o al petróleo, bien sea de manera total, en mezcla con estos últimos o como aditivo. Los biocarburantes más utilizados en la actualidad son el bioetanol (que sustituye a la gasolina) y el biodiésel (que sustituye al gasóleo).
Generalmente, para evaluar el potencial de biomasa se consideran los métodos establecidos a nivel inter-nacional por las Directivas Europeas, UNFCCC, FAO, DOE, USEPA, etc., para analizar y utilizar la biomasa para energía de manera efectiva y medioambiental. Entre los análisis de laboratorio básicos para evaluar el potencial se encuentran: el análisis próximo para determinar la humedad; materia volátil; carbón fijo y cenizas; análisis último para la determinación del porcentaje de carbón, hidrogeno, nitrógeno, azufre, cloro, ceniza y oxígeno en base seca; la estimación del valor calo-rífico neto y bruto. Otros parámetros que se deben conocer son las tasas de producción en tiempo y áreas específicas de las fuentes de biomasa.
En México se conocen y emplean los métodos internacionales para determinar el potencial de cada componente de la biomasa. Existen diversas instituciones en el país que cuentan con infraes-tructura para ello, aunque generalmente el impacto de sus resultados es local.
En el IIE se realizó un estudio nacional del poten-cial teórico biomásico, el cual muestra valores que superan los 1,000 PJ al año. Los resultados a nivel municipal se encuentran en el sistema de consulta SIGER http://sag01.iie.org.mx/siger.
Conclusiones
Las energías renovables son una de las opciones para aminorar el impacto al cambio climático y al mismo tiempo contar con energía para el desa-rrollo de los pueblos. La mayoría de los gobiernos del mundo lo saben y lo han impulsado, sin embargo, el costo de generación de energía que es elevado si no se toman en cuenta las externali-dades, no ha permitido que se alcancen los resul-tados esperados, aun así, los avances son muy importantes.
Es deseable, entonces, que los países aporten más recursos económicos para una correcta evaluación de sus energías renovables y que se aventuren a probar las bondades de las tecnologías limpias, estos dos elementos son básicos para que los proyectos sean cada día más exitosos.
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Referencias
International Energy Agency (IEA). Market Trends and Projections to 2018, Medium-Term Renewable Energy Market Report 2013.
Secretaría de Energía (SENER). Estrategia Nacional de Energía 2013-2027, 2013.
Global Wind Energy Council (GWEC). Global Wind Report Annual market update 2012, 2013.
Measuring Network of Wind Energy Institutes (MEASNET). Power performance measurement procedure, Version 5, 2009.
Craig J. Tremback, Robert L. Walko. Regional Atmospheric Modeling System Version 6.0 User’s Guide – Introduction, ATMET, LLC, 2005.
Anthony L., Segen E. Ocean Energy, In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, 2011
Jayakumar, P. Resource Solar Energy Assessment Handbook. Prepared for APCTT. 2009.
Perez, R. et al. A New operational satellite-to-irradiance model-des-cription and validation, Manuscript submitted to solar energy 4/2002.
Huacuz, et al. Laboratorio Nacional para la Evaluación de los Recursos Energéticos Renovables en México (LERM) CONA-CYT-IIE-57586. Informe Técnico Final IIE/01/14/20016 (CONACYT-IIE-57586). México. 2013.
European Small Hydropower Association. Guía para el desarrollo de una pequeña central hidroeléctrica. 2006.
GlobalData. Report. Small Hydropower (SHP). Installed Capa-city, Levelized Cost of Energy (LCOE), Competitive Landscape, Opportunity and Key Country Analysis to 2020. 2012.
The British Hydropower Association. A guide to UK mini-hydro developments. UK. 2005.
Ajay Kumar 1, David D. Jones y Milford A. Hanna. Thermoche-mical Biomass Gasification: A Review of the Current Status of the Technology, en Energies 2, 2009, p 556-581.
IDAE (2007b). Biomasa. Digestores anaerobios. Madrid. 2007.
Cerdá E. La biomasa en España: una fuente de energía renovable con gran futuro. Editado por Fundación IDEAS DT, 01-2012. Madrid, España.
UBALDO MIRANDA MIRANDA[[email protected]]
Máster en Sistemas de Información Geográfica por la Universidad de Girona, España en 2005. Licenciado en Física por la Universidad Veracruzana, México en 1993. Se ha especializado en diversos países en el manejo de modelos de evaluación de recursos renovables y el análisis de imágenes de satélite. Desde 1994 ingresó como investigador a la Gerencia de Energías No Convencionales (GENC) del IIE, donde ha dirigido proyectos relacionados con la evaluación de los recursos energé-ticos renovables y los Sistemas de Información Geográfica (SIG). Actualmente coordina el Sistema de Información Geográfica para las Energías Renovables (SIGER), donde ha implementado diversas metodologías para generar mapas de recursos. Es el responsable del Laboratorio Nacional para la Evaluación de los Recursos Energéticos Renovables en México (LERM), el cual ha sido financiado por el CONACYT y el IIE. Actualmente trabaja en la modelación de viento a mesoescala.
RICARDO SALDAÑA FLORES[[email protected]]
Doctor en Gestión del Conocimiento e Innovación en el Instituto Iberoamericano de Investiga-ción y Docencia en Estrategias de la Administración. Maestría en Administración en la Univer-sidad Juan Ruiz de Alarcón. Ingeniero en Energía por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) Iztapalapa. Asistió al International Course on the Implementation of Wind Power, impar-tido por la Fundación Holandesa de Energía. Cursó el Diplomado en Promoción y Comercializa-ción de Servicios Tecnológicos en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM). Colabora en la Gerencia de Energías No Convencionales (GENC) del IIE desde hace 33 años. Fue miembro del SNI y obtuvo la Beca de Desarrollo Tecnológico y el Premio al Desem-peño Extraordinario dentro del IIE. Es miembro fundador de la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES), en la cual ha participado activamente en diferentes Consejos Directivos y como organizador de semanas nacionales de energía solar en diversos lugares del país.
HIPÓLITO ROMERO TEHUITZIL[[email protected]]
Doctor y Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Química por la Universidad Autó-noma Metropolitana (UAM) Iztapalapa. Ingresó al IIE en el año 2000, a la Gerencia de Ener-gías No Convencionales. Se ha especializado en temas de las energías renovables. Destaca su tesis: “Producción de celdas solares con silicio monocristalino”, para obtener el grado de Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Puebla. Realizó estancias sobre tecnologías de biogás y biomasa en la República Popular de China y España. Ha participado en proyectos contratados por gobiernos municipales y estatales, instituciones como la CFE, INE, SENER y CONACYT para la evaluación técnica y desarrollo tecnológico para la generación eléctrica con biomasa.
De izquierda a derecha: Ricardo Saldaña Flores, Ubaldo Miranda Miranda e Hipólito Romero Tehuitzil.
