Rubén Cariño Garay y M. Consolación Medrano Vaca

Sumario
Sumario
90Editorial
•
92Divulgación
El inventario de las energías renovables en el marco de la transición energética de México / The renewable energy inventory in the
Mexico’s energy transition context
Jorge Maximiliano Huacuz Villamar
•
101 Tendencia tecnológica
Panorama actual de los recursos energéticos renovables / Current
overview of the renewable energy resources
Ubaldo Miranda Miranda, Ricardo Saldaña Flores e Hipólito
Romero Tehuitzil
108 Artículo técnico
Factores de incertidumbre en la formulación financiera de
proyectos de energías renovables: caso de proyectos eólicos y de
energía solar / Factors of uncertainty in the financial development of
renewable energy projects: wind projects and solar energy cases
Rubén Cariño Garay y M. Consolación Medrano Vaca
114 Comunidad IIE
• 8° Simposium Latinoamericano de la Energía 2013 / 8th Latin
American Symposium on Energy 2013
• Presencia del IIE en la RVP-AI/2013 / IIE presence at RVP-AI/2013
• PCIC México 2013 / PCIC Mexico 2013
• Investigador del IIE reelecto como Director del Board of Directors
de la IGA / IIE´s researcher reelected as Director of the IGA Board of
Directors
Junta Directiva
Presidente: Francisco Rojas Gutiérrez, Director General de la Comisión Federal de Electricidad
Secretario: Hugo Gómez Sierra, Presidente de la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas
Prosecretario: Fernando A. Kohrs Aldape, Instituto de Investigaciones Eléctricas
Consejeros propietarios: • Francisco Leonardo Beltrán Rodríguez, Subsecretario de Planeación y
Transición Energética, Secretaría de Energía • Luis Carlos Hernández Ayala, Director de Operación,
Comisión Federal de Electricidad • Guillermo Turrent Schnaas, Director de Modernización, Comisión
Federal de Electricidad • José Luis Aburto Ávila, Subdirector de Programación, Comisión Federal de
Electricidad • Noé Peña Silva, Subdirector de Transmisión, Comisión Federal de Electricidad • Jaime
Francisco Hernández Martínez, Director General de Programación y Presupuesto “B” de la Secretaría
de Hacienda y Crédito Público • José Narro Robles, Rector de la Universida Nacional Autónoma
de México • Yoloxóchitl Bustamante Diez, Directora General del Instituto Politécnico Nacional
• Salvador Vega y León, Rector General de la Universidad Autónoma Metropolitana • Inocencio
Higuera Ciapara, Director Adjunto del Centro de Investigación, Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnología • Jaime Parada Ávila, Director General, Innovación y Competitividad, S. A. de C. V.
Comisarios públicos: • Mario Alberto Cervantes García, Delegado y Comisario Público Propietario
del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública • Juan Edmundo Granados Nieto,
Subdelegado y Comisario Público Suplente del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública
Invitados: • Odón de Buen Rodríguez, Director General de la Comisión Nacional para el Uso
Eficiente de la Energía • Carlos Antonio Álvarez Balbas, Socio Director, Despacho Álvarez Balbas,
S. C. • Miguel Vázquez Rodríguez, Presidente de la Comisión de Innovación y Tecnología de la
Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas
•
•
Asiste el IIE al 2013 IEEE PESGM / IIE attends the 2013 IEEE
ISI PESGM
Tecnologías de conversión térmica para residuos sólidos municipales / Thermal conversion technologies for municipal solid waste
Investigadores del IIE participan en capítulo de libro / IIE researchers participate in a book chapter
Aplicación del análisis estructural para mejorar el diagnóstico de
fallas en una turbina de gas / Application of Structural Analysis to
Improve Fault Diagnosis in a Gas Turbine
118 Breves técnicas
• Determinación del potencial energético de la biomasa / Determination of the biomass energy potential
Hipólito Romero Tehuitzil y José Luis Arvizu Fernández
• Laboratorio Nacional para la Evaluación de los Recursos Energéticos Renovables en México / National Laboratory for the Evaluation of Renewable Energy Resources in Mexico
Ubaldo Miranda Miranda
• Sistema de monitoreo de perfiles verticales del viento / Vertical
wind profiles monitoring system
Ubaldo Miranda Miranda
• Túnel de viento del IIE / IIE´s wind tunnel
Fortino Mejía Neri y Rubén Isaac Cariño Garay
122 Artículo de investigación
Caracterización preliminar del potencial energético del viento en
el cerro La Virgen, Zacatecas / Preliminary characterization of the
wind energy potential at “La Virgen” hill in Zacatecas
Ricardo Saldaña Flores, Víctor Manuel García Saldivar, Ubaldo Miranda
Miranda, Sergio Miguel Durón Torres y María Flor Morales Reyes
Comité Técnico Operativo
Presidente: Santiago Crehueras Díaz, Director General de Eficiencia Energética e Innovación
Tecnológica, Secretaría de Energía
Secretario técnico: Fernando A. Kohrs Aldape, Instituto de Investigaciones Eléctricas
• Luis Carlos Hernández Ayala, Comisión Federal de Electricidad • Mario Alberto Cervantes
García, Secretaría de la Función Pública • Juan Edmundo Granados Nieto, Secretaría de la Función
Pública • Jaime Francisco Hernández Martínez, Secretaría de Hacienda y Crédito Público • José
Narro Robles, Universidad Nacional Autónoma de México • Yoloxóchitl Bustamante Diez, Instituto
Politécnico Nacional • Salvador Vega y León, Universidad Autónoma Metropolitana • Inocencio
Higuera Ciapara, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología • Odón de Buen Rodríguez, Comisión
Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Miguel Vázquez Rodríguez, Comisión de Innovación
y Tecnología de la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas
Comité Editorial
• José Luis Fernández Zayas, Director Ejecutivo • Ángel Fierros Palacios, Director de Energías
Alternas • Salvador González Castro, Director de Tecnologías Habilitadoras • Rolando Nieva
Gómez, Director de Sistemas Eléctricos • José M. González Santaló, Director de Sistemas Mecánicos
• Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización
• José Alfredo Pérez Gil y García, Director de Administración y Finanzas • Gladys Dávila Núñez,
Jefa del Departamento de Difusión • Federico Estrada Arias, Coordinador Editorial • Arturo
Fragoso Malacara, diseño gráfico • Verónica García Rodríguez, diagramación, formación y cuidado
de la edición • Wendy Lugo Sandoval, publicación electrónica • Sergio Ortega López, fotografía
• Ana María Sámano Ramírez, distribución
Publicidad
Comercialización Difusión
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Ricardo López García Gladys Dávila Núñez
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Difusión del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Los artículos firmados son responsabilidad de
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escrita del IIE. ISSN0185-0059. Certificado de licitud de título 01777. Franqueo pagado, publicación
periódica, permiso número 002 0583, características 319 321412, autorizado por Sepomex.
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Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Editorial
Editorial
Las fuentes renovables de energía pueden suministrar toda la energía eléctrica que requiere un país. Llegar a esa meta implica recorrer un largo camino
donde existen dificultades económicas, políticas, sociales, ambientales y más,
que solamente se pueden ir sorteando si se cuenta con una estrategia integral,
donde uno de los puntos de partida debe ser, sin duda, la cuantificación de los
recursos.
Precisamente México dispone de suficientes recursos energéticos renovables
y leyes que favorecen su aprovechamiento, sin embargo, falta mucho por
hacer para contar con un conocimiento adecuado de su distribución espacial
y temporal, así como de pronósticos confiables que faciliten el desarrollo de
proyectos y su interconexión a la red eléctrica.
Sabedor de esta problemática, el Instituto de Investigaciones Eléctricas ha
venido trabajando, en conjunto con diversos centros de investigación del país y
del extranjero, en varios frentes: por un lado en la homologación de las técnicas
de monitoreo y creación de bases de datos y, por otro, en la elaboración de
cartografía de las energías renovables.
90
En este número del Boletín IIE, el artículo de
divulgación presenta una semblanza de la situación que guarda el inventario de las energías renovables en México, en el contexto de la transición
energética por la que estamos atravesando.
En el artículo de tendencia tecnológica se da a
conocer cuál es el panorama actual de los recursos
energéticos renovables a nivel mundial y a nivel
local, enfatizando que el desarrollo de proyectos
en este rubro depende en gran medida del conocimiento del potencial energético de cada región.
En el artículo técnico se presentan los factores
de incertidumbre en la formulación financiera de
proyectos de energías renovables, en particular el
caso de proyectos eólicos y de energía solar.
Editorial
Las breves técnicas abordan diversos temas que
incluyen: la determinación del potencial energético de la biomasa; el Laboratorio Nacional para
la Evaluación de los Recursos Energéticos Renovables en México; el sistema de monitoreo de perfiles
verticales del viento, y el túnel de viento del IIE.
Por último, el artículo de investigación trata sobre
la caracterización preliminar del potencial energético del viento en el cerro La Virgen, Zacatecas, con
miras a realizar estudios sobre su aprovechamiento
para la producción de energía eléctrica a través de
aerogeneradores.
De esta forma se da una mirada al mundo para
tener un panorama general de la evaluación y aprovechamiento de las energías renovables y se enfoca
la atención en las acciones que México ha emprendido, así como los retos que tiene por delante.
El aprovechamiento de las energías renovables
es un asunto urgente en todo el mundo, por lo
que su cuantificación correcta es impostergable.
En este sentido, el Instituto de Investigaciones
Eléctricas continuará aportando su experiencia
de más de 35 años para apoyar al sector eléctrico
nacional y ofreciendo sus servicios a la comunidad
internacional.
91
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Divulgación
El inventario de las energías renovables
en el marco de la transición energética de
México
Jorge Maximiliano Huacuz Villamar
Abstract
In the following article, the author presents its views about the importance of properly assessing the potential of Mexico’s renewable energy
resources in preparation for the forthcoming transition to a less carbon-intensive economy. The implications of the non-fossil obligation
imposed by law to the electricity sector are weighted against the current level of local knowledge on these resources, in particular the present
status of National Inventory of Renewable Energy Resources, also mandated by law. An overview is given on the early work carried out in
this country for the assessment and mapping of these resources, with emphasis on the pioneering work of IIE.
Introducción
Al momento de escribir estas líneas, el proceso
hacia la reforma del sector energía del país entra
ya a su recta final: los partidos políticos han
dejado claras sus posturas a través de propuestas
presentadas al Congreso y éste se apresta a iniciar
el debate correspondiente. Las aparentes ventajas
de cada propuesta se analizan y difunden en los
medios y son tema de conversación en los círculos
sociales más interesados, mientras que las posturas
de algunos grupos se manifiestan en las calles.
Con las energías renovables es posible obtener
energéticos secundarios
útiles para la economía como electricidad, calor en
una amplia gama de temperaturas, así como combustibles sólidos, líquidos
y gaseosos.
92
Al igual que en ocasiones anteriores, el punto
central de las propuestas para la reforma sigue
siendo el petróleo y las posibles modalidades de
participación del sector privado, nacional o extranjero en ese negocio, aunque esta vez también se
pone al frente una posible reforma constitucional
que toca al sector eléctrico, tanto en lo que respecta
a su estructura de empresa, como en lo concerniente a la participación del sector privado en un
nuevo esquema del negocio eléctrico.
El uso de las energías renovables (ER) es un área
en la que parece haber consenso en todas las
propuestas de reforma, ya sea considerándolas
Divulgación
como elemento para la “sustentabilidad energética
y protección del medio ambiente” (Peña, 2013),
para la “transición hacia fuentes alternativas de
energía” (PRD, 2013), o bien para convertir a
México en “país líder mundial en el fomento de la
sustentabilidad energética y las energías limpias”
(PAN, 2013).
En los medios más especializados se reconoce que,
desde un punto de vista puramente técnico, con
las ER es posible obtener energéticos secundarios
útiles para la economía: electricidad, calor en una
amplia gama de temperaturas, así como combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. También existe
una noción clara de que México posee recursos ER
en abundancia (geotermia, sol, viento, potencia
hidráulica, biomasa y distintas formas de energía
en los océanos) que, según se propone en algunos
círculos, serían suficientes para descarbonizar por
completo la economía nacional. Pero queda por
verse en qué medida esto es alcanzable, práctico,
así como económica, ambiental y socialmente
rentable. De momento todo parece indicar que
las ER han encontrado un espacio en los círculos
más encumbrados de la política mexicana, sin
embargo, será necesario un análisis de varios
factores, técnicos y no técnicos, para dilucidar en
qué medida estas fuentes de energía podrán contribuir a los objetivos nacionales de seguridad energética, sustentabilidad ambiental, desarrollo económico e inclusión social.
Marco jurídico
(léase ER y nuclear) del 35% para el año 2024, 40% para el 2035 y 50%
para el 2050.
Los retos que imponen estas metas en cuanto a la incorporación de energías
renovables en el Sistema Eléctrico Nacional (SEN) son enormes. Documentos
oficiales dan una idea de ello en lo correspondiente a la capacidad de generación con ER que deberá instalarse en los próximos años. La Prospectiva de
Energías Renovables (SENER, 2012-2026, a) anticipa en sus escenarios bajo
y alto, capacidades de 31,147 MW y 38,146 MW respectivamente para el año
2026, mientras que la Prospectiva del Sector Eléctrico (SENER, 2012-2026,
b) muestra escenarios que van desde los 26,742 MW hasta los 54,892 MW
para ese mismo año. Ambos pronósticos con sus respectivas suposiciones, pero
igualmente dominados por grandes hidroeléctricas y centrales eólicas. Como
punto de comparación, la capacidad efectiva de generación del SEN a junio de
2013 era de 53,553 MW (SENER).
Independientemente de la precisión en los números de las prospectivas, la sola
idea de incorporar grandes cantidades de energías renovables al SEN induce
a pensar en los cambios potenciales que se deberán dar, por ejemplo, en el
esquema de planeación energética del país, en los criterios para la expansión
de la red eléctrica nacional, en los protocolos para la operación y control del
sistema eléctrico, en la formación de nuevos cuadros de técnicos y especialistas,
y así sucesivamente. ¿Son las grandes centrales eólicas el mejor esquema para
el aprovechamiento del recurso viento, o hay necesidad de impulsar la generación distribuida? ¿Tiene más valor para el SEN, desde el punto de vista del
balance de la red eléctrica o de la reducción de pérdidas por transmisión, una
gran central solar en el desierto de Sonora, que cientos de miles de pequeños
sistemas fotovoltaicos en los techos de casas y edificios en el entorno urbano?
¿Cuáles son los criterios para optar por el desarrollo de unas fuentes renovables
de energía y no por otras? Preguntas como éstas tendrán que responderse más
temprano que tarde, con criterios técnicos, económicos, ambientales y sociales,
para evitar el riesgo de equivocar el rumbo de la transición energética. Desde
luego, la información suficiente y precisa sobre el potencial de los recursos ER
es sin duda el principal elemento técnico que entra en la ecuación.
Dos elementos del marco jurídico nacional
actual permiten hacer algunas reflexiones sobre
la magnitud del reto en cuanto al aprovechamiento de las ER para el logro de estos objetivos
y a la vez establecen la línea base que permitirá
medir la eficacia de las estrategias resultantes de
la reforma energética definitiva: la Ley General de
Cambio Climático(LGCC) (DOF, 2012) aprobada en 2012 y la Ley para el Aprovechamiento
de las Energías Renovables y el Financiamiento
de la Transición Energética (LAERFTE) (DOF,
2013) aprobada en 2008. La primera establece
una meta en la reducción de emisiones de gases
de efecto invernadero del 30% al año 2020 y del
50% al 2050, ambas con relación a las emisiones
en el país durante el año 2000, mientras que la
segunda ordena una meta de generación no-fósil
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Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Divulgación
las centrales con ER es en el denominador de esta
operación donde un error en la determinación del
valor del recurso ER puede llevar a resultados financieros catastróficos. Es por ello que, en la práctica,
las entidades financieras requieren evidencia fehaciente de que los recursos ER han sido evaluados en
el sitio del proyecto mediante la aplicación de las
mejores prácticas internacionales como condición
para otorgar el financiamiento necesario.
Los energéticos convencionales se localizan típicamente en yacimientos
confinados y geográficamente definidos, tienen una alta densidad energética,
pueden extraerse al ritmo que convenga a las economías y pueden transportarse hasta los puntos de consumo. Las ER, por el contrario, son de naturaleza
dispersa, altamente dependientes del clima (salvo la geotermia y ciertas formas
de energía de los océanos), de intensidad variable, algunas de ellas intermitentes en mayor o menor grado y deben convertirse a energéticos secundarios en el sitio donde se manifiestan. Para complicar aún más la situación, las
tecnologías para el aprovechamiento de las ER son de muy diversa índole: no
todas las turbinas eólicas son aptas para operar bajo un determinado régimen
de viento, hay muchos tipos de celdas fotovoltaicas en el mercado, la conversión de biomasa a electricidad puede darse por distintas rutas tecnológicas, hay
varios tipos de tecnologías termosolares para la producción de electricidad,
y así sucesivamente. Pero por si esto fuera poco, los esquemas para su aprovechamiento son muy diversos, pues es posible la instalación desde cientos o
miles de unidades generadoras con unos cuantos kW de potencia conectados
a la red, hasta las grandes centrales de generación de cientos de MW, pasando
por unidades distribuidas de mediana potencia. Y además es posible anticipar,
como resultado de la inminente reforma del sector eléctrico, diversos modelos
de negocio para el aprovechamiento de estas fuentes de energía, lo que tornará
la situación aún más compleja y más interesante.
Un buen conocimiento de la naturaleza del recurso ER es crítico cuando de
inversiones para unidades de generación eléctrica se trata. El costo nivelado
de la electricidad ($/kWh) es un parámetro universalmente utilizado para
comparar entre distintas fuentes de generación (tradicionales y nuevas) y
también sirve como ingrediente básico de las ecuaciones para determinar la
rentabilidad de los proyectos de inversión en este campo. Este parámetro se
calcula trayendo a valor presente la suma de todos los costos anticipados del
proyecto (inversión, operación, mantenimiento, desmantelamiento, etc. –o
como se dice en la jerga: “de la cuna a la tumba”–) durante el tiempo de vida
útil de la planta y dividiendo el resultado de esta suma entre la electricidad
que se anticipa generará la planta durante ese mismo período. En el caso de
94
Históricamente, el conocimiento sobre los recursos
ER se ha venido adquiriendo mediante el uso de
instrumentos de medición especializados. Ello
implica inversiones para la adquisición e instalación
en campo de estaciones de medición, así como para
el acopio y análisis de la información recabada.
Dichas inversiones pueden ser grandes cuando se
trata de levantar el inventario de estos recursos en
un país con gran extensión territorial, como es el
caso de México, pero son muy pequeñas en comparación con lo que se requiere para la exploración
petrolera. En épocas más recientes han surgido
métodos indirectos basados en modelos matemáticos e información de satélites, que permiten
obtener información a menor costo y de forma
más rápida sobre los valores y las características de
estos recursos, aunque no necesariamente con la
precisión requerida. Pero todo parece indicar que el
levantamiento de información en sitio por medio
de instrumentos seguirá siendo indispensable, al
menos para calibrar los resultados de los métodos
indirectos.
Inventario Nacional de
Energías Renovables
El conocimiento a fondo del potencial de los
recursos ER a nivel mundial ha sido, desde hace ya
varios años, preocupación de organismos internacionales y de muchos gobiernos, principalmente de
los países avanzados, por lo que se han emprendido
importantes programas para tal efecto (tabla 1).
En México, el Inventario Nacional de Energías
Renovables (INER) es todavía una tarea pendiente,
a pesar que desde hace cinco años, la LAERFTE
indica que corresponde a la Secretaría de Energía
“Establecer y actualizar el Inventario Nacional de
las Energías Renovables con programas a corto
plazo, y planes y perspectivas a mediano y largo
plazo, comprendidas en el Programa Especial para
Divulgación
Nombre del programa
Institución responsable
Principal objetivo/característica
Cobertura
Recursos
involucrados
Solar and Wind Energy
Resource Assessment
(SWERA)
Creado por UNEP-GEF y
mantenido por NREL
Proveer datos de manera libre
para el desarrollo de proyectos,
mediante una plataforma GIS.
Mundial
Solar, eólica
Global Atlas
International Renewable
Energy Agency (IRENA)
Ofrecer mapas de recursos
provenientes de los principales
institutos de todo el mundo.
Mundial
Solar, eólica
Renewable Energy
Mapping Program
(REMAP)
Energy Sector
Management Assistance
Program (ESMAP) del
Banco Mundial
Elaborar mapas, validar los
conjuntos de datos existentes,
estandarizar metodologías
de evaluación de los recursos
y desarrollar capacidades de
instituciones y expertos locales.
Pakistán, Indonesia,
Lesotho, Madagascar,
Maldivas, Papúa Nueva
Guinea, Tanzania,
Vietnam y Zambia
Solar, eólica, biomasa,
minihidráulica
Wind Program
DOE, NREL, NOAA
Caracterizar y predecir el viento
en tierra y mar.
Estados Unidos
Eólica
Anemometer Loan
Program
Wind Powering America,
Western Area Power
Administration
Proveer de equipo anemométrico
a interesados en desarrollar
proyectos eólicos que cuenten con
una torre.
Estados Unidos
Eólica
Solar Radiation Resource
Assessment (SRRA)
Ministry of New and
Renewable Energy, India
Desarrollar el atlas solar del país.
India
Solar
Biomass Energy Europe
(BEE)
European Commission,
Armonizar metodologías para
la estimación de la biomasa con
propósitos energéticos.
Europa
Biomasa
Landfill Methane
Outreach Program
(LMOP)
US Environmental
Protection Agency (EPA)
Fomentar la recuperación y el uso
de gas de rellenos sanitarios como
fuente de energía.
Mundial
Residuos sólidos
urbanos
Marine and Hydrokinetic
Resource Assessment and
Characterization
DOE, EPRI, NREL
Evaluar la energía de las olas, ríos,
corrientes de marea y gradientes
térmicos oceánicos.
Estados Unidos
Océano, ríos
Laboratorio Nacional
para la Evaluación de
los Recursos Energéticos
Renovables en México
(LERM)
Instituto de
Investigaciones Eléctricas,
Red de Instituciones del
LERM (22)
Desarrollar infraestructura técnica
necesaria para la creación de
bases de datos confiables sobre los
recursos energéticos renovables
del país. Elaborar la cartografía
correspondiente.
México, países usuarios
Solar, eólica,
minihidráulica,
biomasa, oceánica
Tabla 1. Muestra de los principales programas nacionales e internacionales relacionados con la evaluación de los recursos energéticos renovables, acopio de datos y distribución de información.
el Aprovechamiento de Energías Renovables y en la
Estrategia Nacional para la Transición Energética y
el Aprovechamiento Sustentable de la Energía”, así
como “elaborar y publicar el atlas nacional de zonas
factibles para desarrollar proyectos generadores de
energías renovables” (LAERFTE), dos tareas sin
duda muy importantes por lo ya indicado líneas
arriba.
Un buen inventario de ER no solamente requiere
de conocer la magnitud de estos recursos, sino
además su distribución geográfica, sus variaciones en los ciclos largos, cortos
y muy cortos, así como todos aquellos factores que de una forma u otra
hacen que un mismo recurso muestre ciertas características en un sitio dado
y otras distintas en sitios aledaños. El caso del recurso eólico en La Ventosa,
Oaxaca sirve para ejemplificar este hecho: la región es conocida por sus fuertes
vientos, pero no son de la misma intensidad en toda la zona, ni a distintas
alturas en un mismo punto, ni tienen el mismo grado de turbulencia, ni la
misma intermitencia; algo similar ocurre en cuanto al resto de las ER. Así que
mantener actualizado el inventario implica trabajo sistemático de mediano a
largo plazo ya que, como se dijo, estos recursos energéticos dependen fuertemente del clima y por lo que sabemos el clima es variable y la evidencia de que
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Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Divulgación
está cambiando en forma importante es cada día más clara. La tarea entonces
consiste en crear series históricas de datos apegadas a las mejores prácticas
internacionales que faciliten la planeación energética regional, la toma de decisiones para la aplicación de inversiones, la planeación de la expansión de la red
eléctrica, así como las labores de ordenamiento territorial y ambiental.
Durante varios años, instituciones nacionales y algunas extranjeras han tenido
interés en conocer las características y el potencial de los recursos ER de
nuestro país, y se han dado a la tarea de hacer levantamientos de información
ya existente, mediciones en sitios de interés e incluso mapas regionales. Así,
por ejemplo, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables de los Estados
Unidos de América (NREL por sus siglas en inglés) ha elaborado mapas del
recurso eólico de la región de La Ventosa y de la franja fronteriza de nuestro
territorio colindante con ese país (Schuartz, 1995; Elliot et al, 1994). El gran
recurso hidráulico ha sido muy estudiado con miras al desarrollo de las grandes
centrales hidroeléctricas, al igual que el recurso geotérmico hidrotermal de alta
temperatura, en ambos casos gracias a los programas de la Comisión Federal
de Electricidad (CFE). Sin embargo, el pequeño recurso hidráulico y el geotérmico de baja entalpía han sido relegados a prospecciones básicas, en función
del interés de alguna institución (CONAE). El recurso solar ha sido estudiado
desde hace ya muchos años por varias instituciones (Galindo, 1991; Hernández
et al, 1991), notablemente los institutos de geofísica e ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), la Universidad Veracruzana y
otras instituciones académicas, si bien el Instituto Nacional de Investigaciones
Forestales, Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) y el Servicio Meteorológico Nacional
en conjunto cuentan con el mayor número de estaciones solarimétricas en el
país. Por el lado de la biomasa, las instituciones que conforman la Red Mexicana de Bioenergía (REMBIO), encabezadas por el Centro de Investigaciones
en Ecosistemas de la UNAM, han hecho un trabajo importante para generar
información sobre el potencial y distribución de este recurso que en sí mismo
tiene una gran diversidad (Red Mexicana de Bioenergía). El potencial de la
energía oceánica permanece prácticamente inexplorado, a pesar de que el país
cuenta con cerca de 11,000 km de costa.
Por otro lado, a raíz de la emisión de la LAERFTE,
algunos gobiernos estatales han contratado los
servicios de empresas extranjeras especializadas
para la elaboración de mapas solares y eólicos de
sus correspondientes entidades (Fondo Mixto
CONACYT, 2008), mientras que el Fondo
CONACYT-SENER de Sustentabilidad Energética ha financiado proyectos para la evaluación
de esos mismos recursos en las penínsulas de Baja
California y Yucatán (Fondo Sectorial CONACYT,
2009).
Con motivo de la COP-16 (Conferencia de las
Partes por sus siglas en inglés) en 2010, la SENER
pidió al IIE la elaboración de mapas nacionales de
los recursos sol y viento, que se describen en otra
sección de este boletín. En fecha más reciente, la
Subsecretaría de Planeación y Transición Energética de la SENER contrató, con una empresa
consultora, la realización de varios estudios sobre
el potencial de los recursos ER de México (Price
Waterhouse Coopers, 2012).
Por lo descrito en los párrafos precedentes, pareciera que el levantamiento del INER va viento en
popa, pero la realidad es otra. La mayoría de los
estudios referidos obedecen a propósitos y criterios distintos: algunos de tipo agrícola, otros para
fines meteorológicos, otros para mostrar al mundo
que se avanza en congruencia con los compromisos nacionales de protección al medio ambiente,
otros con fines puramente académicos y otros más
simplemente para dar por cumplido un mandato
de ley. Más aún, hay poca armonización de metodologías, patrones de referencia, estructuras de
bases de datos, etc., entre los distintos estudios en
cuestión. En realidad, este conjunto de acciones
todavía está lejos de lo que debe constituir un buen
INER y un conocimiento a profundidad de los
recursos ER de este país que permita hablar con
toda propiedad de recursos probados y económicamente viables, con los que se podrán alcanzar las
metas establecidas por ley hacia el primer cuarto de
este siglo y más allá.
¿Cuáles son las zonas factibles para desarrollar
proyectos de generación con energías renovables
según lo requiere la LAERFTE? Desde luego la
disponibilidad y buena calidad del recurso en
cuestión es una condición necesaria, pero no
suficiente. Otros factores también juegan un papel
importante para la factibilidad de los proyectos,
96
Divulgación
incluyendo la existencia de infraestructura eléctrica para la interconexión a red, si fuera el caso,
así como la existencia de caminos de acceso, los
niveles de riesgo ambiental, el costo de las tecnologías disponibles para su aprovechamiento e incluso
factores sociopolíticos. Así que la elaboración de
un atlas como el que indica la LAERFTE implica
dar un paso más delante del solo establecimiento
del inventario de los recursos, pues requiere de
información contenida en éste para su análisis, en
conjunto con el resto de los factores involucrados.
En una acción de asistencia técnica al Gobierno de
México, el Banco Mundial comisionó un estudio
para definir varios de los requerimientos esenciales
del INER (Aburto, 2011). En ese estudio, el autor
hace propuestas de carácter metodológico para
implementar un proyecto que desemboque en el
INER y apunta que “en México se han realizado
dos esfuerzos serios para construir inventarios de
potenciales de energías renovables. Uno por parte
de la Comisión Federal de Electricidad y el otro del
Instituto de Investigaciones Eléctricas”. Mientras
que el de la CFE “está pensado para satisfacer las
necesidades internas de ese organismo”, los trabajos
del IIE se encaminan hacia la integración de una
base de datos que pueda ser útil, tanto para la
planeación energética como para la toma de decisiones por parte de inversionistas del sector público
y del sector privado.
El IIE y la evaluación de
los recursos energéticos
renovables
Casi desde su creación, el Instituto emprendió
trabajos de evaluación de los recursos energéticos renovables, aunque de manera esporádica
y en sitios específicos, debido a las limitaciones
presupuestales que aquejan a la investigación en
nuestro país, particularmente en aquellas áreas
que, como las energías renovables hace 35 años,
no tienen un lugar importante en la política energética. Los primeros trabajos iniciaron en 1977
con el proyecto denominado: “Aprovechamiento
de la Energía Eólica” (BIIE 4, 1980), cuyas metas
incluían la recopilación de información a nivel
nacional sobre velocidades de viento, la determinación de una metodología de prospección para
identificar sitios con potencial eólico, dar inicio a la
evaluación del potencial energético de la zona de La
Ventosa y evaluar el potencial energético eólico en la estación experimental que
el IIE tuvo en aquel tiempo en el sitio denominado El Gavillero, en el Estado
de Hidalgo. Como parte de los primeros estudios se analizaron los datos de
velocidades del viento registrados durante un período de 16 años (1961-1976)
por 68 observatorios y 96 estaciones meteorológicas, que en aquel entonces
se encontraban operando en el territorio nacional. Ya en aquel tiempo se
apuntaban las “dificultades de normalización, dada la utilización de una gran
variedad de tipos y marcas de equipo de medición” y se iniciaban los trabajos
de diseño de un “sistema de procesamiento de datos, enfocado no solamente
al recurso energético eólico, sino al de fuentes no convencionales en general”
(BIIE 4, 1980).
Con casi 2,000 MW instalados y otros 3,000 o más por instalar potencialmente, La Ventosa se ha convertido en el núcleo del desarrollo eólico nacional
y un polo de atracción para empresas que buscan autoabastecerse de electricidad, desarrolladores de proyectos eólicos, proveedores de aerogeneradores
e inversionistas. La actividad económica en la región ha crecido de manera
importante, no sin dificultades y algunos problemas de corte sociopolítico,
pero hace 30 años poca gente imaginaba que las cosas iban a ser así en esa
región. El viento ahí no representaba más que dificultades para el tráfico en
las carreteras y limitaciones para el desarrollo agrícola, ya que muchas especies
vegetales tienen dificultades para adaptarse a esas condiciones climáticas.
Con el patrocinio de la CFE, en la década de 1970 se instalaron en La Ventosa
dos estaciones anemográficas con las que se registraron velocidades del viento
superiores a los 40 km/h, con más de 2,000 horas de duración en el período de
un año. A partir de esta información, investigadores de la actual Gerencia de
Energías No Convencionales (GENC-IIE) concluyeron que ese lugar parecía
ser “el más propicio para la instalación de aerogeneradores en gran escala”, y
apoyándose en información del Observatorio Meteorológico de Salina Cruz,
Oaxaca, así como en información del entonces Plan Nacional Hidráulico
y de la extinta Comisión de Estudios del Territorio Nacional (CETENAL),
elaboraron los primeros escenarios para la instalación en La Ventosa de hasta
920 MW de capacidad con turbinas eólicas de entre 2 MW y 4 MW cada
97
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Divulgación
una (Caldera et al, BIIE-4 1980). La visión de entonces puede parecer limitada a la luz de lo que ahora se tiene instalado y proyectado en esa zona, sin
embargo, los escenarios fueron hechos considerando la infraestructura eléctrica existente en aquel tiempo en la zona, como se muestra en la figura 1. El
caso de La Ventosa es paradigmático en cuanto a la importancia de la evaluación de los recursos energéticos renovables en sitio, los tiempos que toma el
desarrollo de su potencial y la multiplicidad de factores que intervienen en el
proceso (Borja et al, 2005).
Uno de los mayores retos que ha enfrentado la CFE desde su creación ha sido
dotar del servicio eléctrico a comunidades alejadas más allá de donde es técnica
y económicamente factible extender sus redes. Aun hoy en día, cerca de tres
millones de mexicanos carecen del servicio, no obstante el avance económico
del país. En algunos casos la necesidad ha sido atendida por medio de grupos
electrógenos a diésel con el alto costo de operación y los impactos ambientales que ello implica. Sin lugar a dudas, todas las localidades aún no servidas
cuentan con recursos ER suficientes para la generación local de electricidad
y desde luego que existen tecnologías aptas para su aprovechamiento. Con el
avance de las tecnologías habilitadoras, la informática y otros medios modernos
es posible visualizar ya, de manera realista, esquemas en donde las comunidades remotas puedan tener ahora servicio eléctrico en condiciones análogas al
del medio urbano y a costos competitivos, por medio de microrredes alimentadas con varios recursos de ER locales, en lo que llamamos sistemas híbridos y
soportadas por tecnologías avanzadas.
La implementación de tales esquemas requiere de gran cantidad de información sobre los recursos energéticos y de otra índole, disponibles localmente,
junto con información sobre el microclima de la localidad, la orografía de
la zona, la ubicación geográfica de la comunidad, su entorno y su demografía, las características y costos de las tecnologías, etc. Los sistemas infor-
Figura 1. Zonas identificadas por el IIE en los años 70 para el emplazamiento
de centrales eólicas en La Ventosa, Oaxaca.
98
máticos modernos permiten manejar en forma
ágil toda esa información y mediante el uso de
modelos cartográficos se pueden identificar las
mejores opciones para atender problemas como
el de la electrificación rural (Miranda, 2005).
Es por ello que a partir de 1997, la GENC-IIE
ha venido trabajando con estas técnicas para la
consolidación de lo que ahora se conoce como el
SIGER (Sistema de Información Geográfica para
las Energías Renovables) (iie.org.mx). Este es un
sistema compuesto por mapas en formatos raster
y vectorial, así como datos en forma tabular, los
cuales contienen información sobre las ER y de
aquellos elementos geográficos que influyen en
la determinación de sitios para el aprovechamiento de estas fuentes de energía. La información más importante con la que cuenta son los
mapas de la distribución de los potenciales de las
ER. También posee información de utilidad para
la determinación de estos potenciales y aquélla
necesaria para la determinación de costos de
generación eléctrica o de viabilidad técnica de
proyectos. El sistema geográfico empleado es el
estándar utilizado por el INEGI en la cartografía
nacional (BIIE-4, 2003).
Un sistema de información geográfica sobre las
ER es de poco valor, sin información sobre estos
recursos. Pero como ya se dijo, la tarea aún no se
ha completado. En octubre de 2007, la GENC-IIE
dio inicio al proyecto denominado: “Laboratorio
Nacional para la Evaluación de los Recursos Energéticos Renovables en México (LERM)”, que contó
con financiamiento conjunto de CONACYT
(CONACYT, 2006) y del Fideicomiso FICYDET
del IIE. Su objetivo general es desarrollar una plataforma tecnológica e infraestructura que permita
la creación de bases de datos confiables sobre los
recursos energéticos renovables del país, con el fin
de elaborar la cartografía necesaria que pueda utilizarse en la planeación y desarrollo de proyectos
de aprovechamiento de los recursos energéticos
renovables (BIIE 2, 2008). El LERM ha venido
operando a través de una amplia red de instituciones de educación superior y centros de investigación de todo el país, como se describe en otro
artículo de este Boletín IIE.
¿Qué le permite a la industria petrolera hablar de
reservas probadas, probables, inferidas, etc.? Ciertamente hay reglas establecidas por consenso en
la industria, las cuales fijan los criterios que debe
Divulgación
Referencias
cumplir un recurso para su categorización. Para
las energías renovables, aun a nivel internacional,
los criterios no están bien establecidos en todos los
casos. En cuanto a la energía eólica, un conjunto
de centros de pruebas eólicas tomó la iniciativa
hace 15 años, de desarrollar estándares de medición para asegurar la calidad de la información
sobre este recurso, lo que ha dado origen a varias
recomendaciones, estándares y requerimientos
para los procedimientos de medición de la velocidad del viento y del desempeño de los sistemas
eólicos. Así, bajo los auspicios de la Comisión
Europea se creó la red MEASNET (measnet.
com), la cual se ha convertido en la organización
de referencia en lo que a calidad de mediciones
eólicas se refiere. El IIE no es miembro de dicha
red, pero ha adoptado para su trabajo las mejores
prácticas establecidas por ese organismo, mismas
que se difunden a nivel nacional a través de las
instituciones afiliadas al LERM. En el caso de
otros recursos de ER, el Instituto ha desarrollado
sus propios métodos para la evaluación de los
potenciales, los cuales están siendo contrastados
con los métodos desarrollados por otras instituciones nacionales e internacionales.
Ley para el Aprovechamiento de las Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición
Energética (LAERFTE). Diario Oficial de la Federación, 28 de noviembre de 2008: Texto vigente,
DOF, 7 de junio de 2013.
Conclusiones
Schuartz, M. y Elliot, D. Mexico wind resource assessment project. National Renewable Energy Laboratory. NREL/TR-441-7809. Washington, D.C., 1995; Elliot et al. Atlas de Recursos Eólicos del
Estado de Oaxaca. NREL/TP-500-35575, April, 1994; NREL. Mapas del recurso eólico para diferentes regiones de México: www.re.sandia.gov/en/ti/ti-fs.htm
México se encuentra en el umbral de una transición energética que habrá de durar varias décadas.
Sin duda muchas cosas cambiarán durante este
lapso de tiempo, tanto en el ámbito técnico como
en el jurídico, en el institucional, en el económico
y en el social, pero la necesidad de más y mejor
información sobre los recursos ER del país seguirá
presente a lo largo de este periplo: su potencial
global a nivel nacional, su distribución geográfica,
sus características físicas, su variabilidad con los
ciclos de la naturaleza y muchos otros parámetros
que caracterizan a estos recursos.
El IIE ha sido pionero en este ámbito y deberá
seguir contribuyendo, no solo aportando más
y mejor información, sino avanzando en la
asimilación y el desarrollo de nuevas técnicas y
nuevos métodos científicos que faciliten y hagan
más económica la tarea de contar con un INER
confiable y de gran utilidad en este proceso de
cambio.
Peña E. Iniciativa de decreto por el que se reforman los artículos 27 y 28 de la Constitución Política de
los Estados Unidos Mexicanos, 12 de agosto de 2013.
Propuesta de Reforma Energética, Partido de la Revolución Democrática.
Propuesta de Reforma Energética, Partido Acción Nacional.
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Divulgación
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Measuring Network of Wind Energy Institutes, [en línea]. Recuperado de http:www.measnet.com.
100
JORGE M. HUACUZ VILLAMAR
[[email protected]]
Doctor y Maestro en Ingeniería Física por la Universidad de
California, San Diego, Estados Unidos. Ingeniero Químico por
la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional
Autónoma de México (UNAM) en 1970. Desde 1980 colabora
con el IIE, desempeñándose como investigador, Coordinador del
Área de Energía Solar y Gerente de Energías No Convencionales,
puesto que ocupó de 1995 a septiembre de 2013, fecha en que se
reincorpora a la plantilla de investigadores de esa Gerencia. Fue
fundador y Presidente Nacional de la Asociación Nacional de
Energía Solar (ANES) de México. Fue miembro de la Sociedad
Internacional de la Energía Solar y Editor Asociado de la revista
Solar Energy, publicación científica de dicha sociedad. Fue Coordinador Internacional de la Red Iberoamericana de Electrificación
Rural con Energías Renovables (RIER) del Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED).
Colabora con el Grupo de Trabajo sobre Energías Renovables
y es miembro del Comité Ejecutivo del Acuerdo Solar Power
and Chemical Systems, ambos de la Agencia Internacional de la
Energía.Ha dictado conferencias sobre el tema de las energías
renovables en varios países y ha publicado artículos en revistas
nacionales e internacionales.. Posee el nombramiento de Investigador Nacional por el Sistema Nacional de Investigadores (SNI).
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 representaría 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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Tendencia tecnológica
El desarrollo de proyectos con energías renovables depende en gran medida del
conocimiento que se tiene de éstas, es decir, la distribución temporal y espacial, 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 desarrollo 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 electricidad. 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 mediciones 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 indispensable 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 mediciones anemométricas con modelos meteorológicos 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 representa 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 encuentran la Universidad Nacional Autónoma de México
(UNAM), el Instituto Potosino de Investigación
Científica y Tecnológica, A. C. (IPICYT), la Comisión Federal de Electricidad (CFE), la Universidad
Veracruzana (UV), la Universidad de Colima (U de
C) y el Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada, B. C. (CICESE).
La Gerencia de Energías No Convencionales del
Instituto de Investigaciones Eléctricas (GENC-IIE)
102
Tendencia tecnológica
ha trabajado en el tema eólico desde hace más de
35 años. En este tiempo ha llevado a cabo mediciones 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 modelación de viento. De hecho se tiene implementado,
en servidores del IIE, el modelo Regional Atmospheric 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, conocido 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.
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 experiencia, 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
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 resultados 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
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Tendencia tecnológica
A finales de 2012, a nivel mundial había una capacidad total instalada de 100 GW de sistemas fotovoltaicos, 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.
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 objetivo 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 inagotable, 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 superficie 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.
104
Para estudios de proyectos fotovoltaicos se emplean
datos de radiación global, mientras que para
proyectos de concentración solar se utiliza información de radiación directa. El principal instrumento
para medir la radiación solar global es el piranó-
Tendencia tecnológica
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 cobertura 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 Energéticos 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 hidrológicos, 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 computacionales 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
105
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Tendencia tecnológica
Generalmente, para evaluar el potencial de biomasa
se consideran los métodos establecidos a nivel internacional 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 calorífico neto y bruto. Otros parámetros que se deben
conocer son las tasas de producción en tiempo y
áreas específicas de las fuentes de biomasa.
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 tecnológico 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 energéticos, residuos forestales, agrícolas leñosos, agrícolas herbáceos, residuos de industrias 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 orgánica 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) prevención 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 físico-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).
106
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 infraestructura para ello, aunque generalmente el impacto
de sus resultados es local.
En el IIE se realizó un estudio nacional del potencial 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 desarrollo 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 externalidades, no ha permitido que se alcancen los resultados 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.
Tendencia tecnológica
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-description and validation, Manuscript submitted to solar energy
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Huacuz, et al. Laboratorio Nacional para la Evaluación de los
Recursos Energéticos Renovables en México (LERM) CONACYT-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 Capacity, 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. Thermochemical 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.
De izquierda a derecha: Ricardo Saldaña
Flores, Ubaldo Miranda Miranda e
Hipólito Romero Tehuitzil.
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 energéticos 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 Investigación y Docencia en Estrategias de la Administración. Maestría en Administración en la Universidad Juan Ruiz de Alarcón. Ingeniero en Energía por la Universidad Autónoma Metropolitana
(UAM) Iztapalapa. Asistió al International Course on the Implementation of Wind Power, impartido por la Fundación Holandesa de Energía. Cursó el Diplomado en Promoción y Comercialización 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 Desempeño 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 Autónoma Metropolitana (UAM) Iztapalapa. Ingresó al IIE en el año 2000, a la Gerencia de Energías 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.
107
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Artículo técnico
Factores de incertidumbre en la formulación
financiera de proyectos de energías renovables:
caso de proyectos eólicos y de energía solar
Rubén Cariño Garay y M. Consolación Medrano Vaca
Abstract
Financial impact of uncertainty in wind and photovoltaic (PV) power generation projects is analyzed. . The analysis focuses on determining
the levelized cost of energy by varying the overall uncertainty range in the resource quality. Wind speed and solar irradiance uncertainties
are considered. Uncertainty values are computed taking into account both project site location and long run variability. Uncertainty analysis
is complemented by integrating the exceedance probability concept PXX, which guarantees certain production levels at P75, P80 and P90.
This paper also reviews levelized cost sensitivity from global uncertainty that wind and PV technologies are reporting, as well as exceedance
probability. Results show that uncertainty reduction is a priority condition to maximize the PV or wind farm project profitability and that
less uncertainty increases exceedance probability.
Introducción
La disminución de la incertidumbre es una condición prioritaria para maximizar la rentabilidad de un
proyecto eólico o FV.
108
El conocimiento adecuado del potencial del recurso
energético (solar o eólico) es fundamental para
determinar si un proyecto es viable para desarrollarse. Son diversos los factores que deben tomarse
en cuenta a la hora de decidir si un proyecto se lleva
a cabo o no. La incertidumbre en la medición es un
parámetro básico y de los que más impactan en el
desarrollo del proyecto, pero existen otras incertidumbres que se involucran en la estimación de la
generación de energía, relacionadas con el desarrollo y puesta en servicio del generador, tales como
construcción, operación, producción de energía, y
factores de incertidumbre en aspectos contractuales
y legales como por ejemplo los que tienen que ver
con la legislación ambiental y económica. Estos
factores de incertidumbre, que se consideran en
la formulación financiera de proyectos de energías
renovables se clasifican en dos, como se ilustra en
la figura 1.
En México existe la Guía para la Expresión de la
Incertidumbre de Medición (NMX,1995), en
donde se describe la forma en que deben evaluarse
Artículo técnico
y determinar las incertidumbres en términos generales. En esta guía se distingue entre lo que es la
incertidumbre en las mediciones de los errores de
medición. Para recurrir a buenas prácticas de medición del recurso eólico existe la norma IEC 6140012-1:2005, enfocada a la instalación de instrumentos de medición.
La evaluación de la incertidumbre en una central
eólica o solar es de suma importancia por la naturaleza del recurso. Las incertidumbres en la determinación de velocidad del viento y de la radiación
solar están directamente vinculadas con el riesgo
financiero.
La disminución de la incertidumbre es una condición prioritaria para maximizar la rentabilidad de
un proyecto, y que al margen de formas y metodologías que se utilicen, la estimación tiene que ver con
predicción. Pero la realidad es que el futuro no se
conoce, por lo que las estimaciones tienen un valor
relativo en el contexto de las proyecciones financieras que tienen como origen una tendencia con
base en datos observados en donde no se considera,
por ejemplo, el cambio climático, por lo que existe
la posibilidad de que algunos sitios favorables en la
actualidad para el desarrollo de proyectos pierdan sus
características de recurso disponible en un tiempo
relativamente corto, y de igual forma sitios no favorables tienen la posibilidad de volverse de interés
para el desarrollo de proyectos, lo que significa que
el cambio climático es otro factor de incertidumbre.
A partir de los datos de incertidumbre tomados de
fuentes de reconocimiento internacional (NREL,
GL Garrad Hassan, 3TIER, EMD International,
entre otras), para las energías eólica y solar, se determinó el Costo Nivelado de Generación (CNG),
llevando a cabo análisis de sensibilidad variando
la incertidumbre en el rango marcado. También se
determinó el CNG considerando la P50, P90 y P99.
Factores de incertidumbre
en el recurso eólico
El desarrollo tecnológico en la industria de aerogeneradores ha incrementado la capacidad de generación, dando como resultado aerogeneradores
cada vez de mayores dimensiones a más altura.
También se han buscado otras formas de medir la
velocidad del viento a alturas mayores a los 100 m,
con dispositivos de percepción remota del viento como menciona Torben, sin
embargo, se sigue utilizando más como instrumento de medición el anemómetro de copas.
En el medio de las organizaciones dedicadas a la evaluación del potencial eólico
y toda la cadena relacionada se tiene el contexto de la incertidumbre, declarada
en los certificados de calibración de los anemómetros que se utilizan para la
evaluación de la incertidumbre tipo B (NMX, 1995), que con base a la clasificación de la figura 1 corresponde al factor de incertidumbre en la medición.
En este sentido se tiene la incertidumbre en instrumentos de medición debido
a la calibración de 1% a 5% (Erazo, 2011).
En la literatura analizada se reporta una cantidad considerable de casos y condiciones para identificar la incertidumbre que implica el recurso eólico, lo que lleva
a concluir que cada caso es único, así como la incertidumbre misma para cada
proyecto. Los valores generales para fines de cálculo se reportan en la tabla 1.
Figura 1. Clasificación de factores de incertidumbre.
Factores
Incertidumbre en la calibración de anemómetros
Valor (%)
0.5 -3.5
Montaje
0.2 a 3
Selección de medición del sitio
0.5 a 5
Mediciones inconsistentes
3
Período de datos en común (correlación)
0.3 a 3
Extrapolación vertical
1 a 6.4
Período histórico de datos
1.5 a 6
Superficie disponible por topografía
3a6
Variabilidad del recurso en 1 año
4
Variabilidad del recurso en 10 años
6
Incertidumbre global de determinación de velocidad del viento
3.6 -14
Reducing Uncertainty in Wind Project Energy Estimates, 2012 SECOND WIND/DNV KEMA;
Michael Fisher, Evaluación del Recurso Eólico, III Jornadas de Energía Eólica, 2012, NRG Systems,
Inc.
Tabla 1. Rangos de valores generales de incertidumbre por categoría para el
recurso eólico.
109
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Artículo técnico
Factores de incertidumbre en el recurso
solar
Las fuentes de incertidumbre en el recurso solar se dividen en cuatro categorías que agrupan todo el proceso de simulación del recurso e incluyen:
precisión en la medición, variabilidad espacial, representatividad del período
de monitoreo y la variabilidad inter-anual. Los rangos de valores generales de
incertidumbre se reportan en la tabla 2.
Impacto económico de la incertidumbre en
la producción con energía solar y eólica
Para financiar un proyecto, los actores financieros complementan el estudio
con un análisis de incertidumbre (además de lo que implica uno en la parte
operativa) que asocie los resultados con la probabilidad de éxito, con base en
el concepto de probabilidad de excedencia. Esto significa que la producción
de energía no solamente toma en cuenta la media (P50), sino también valores
de P que aseguren determinados niveles de producción como P75, P80 o P90.
Una explicación del significado conceptual de PXX en este contexto la proporciona Travis Lowder y una explicación desde el punto de vista estadístico está
dada por Cooper Energy.
Para calcular las estimaciones de energía más conservadoras se toma como
referencia el P50, por lo que para una P75, P90 o P99, la energía estimada
disminuye en la medida que la P aumenta. La incertidumbre en una central
eólica o solar impacta negativamente en el cálculo de la probabilidad de excedencia. Para fines de cálculo del impacto de la incertidumbre global en el
Costo Nivelado de Generación o CNG (método de evaluación económica
más usado para proyectos de generación eléctrica), para una central eólica
o solar, se toma como referencia la información proporcionada por 3TIER
2012, EMD International, NREL y otras fuentes, para calcular la producción de energía anual con base en P90 y P99, variando la incertidumbre para
ambos casos. En las fuentes mencionadas se resumen algunas relaciones que
se muestran en la tabla 3 y que cumplen con la curva de distribución de
probabilidad normal de acuerdo con la PXX deseada.
Factores
Valor (%)
Precisión en la medición
2-15
Variabilidad espacial
0-1
Representatividad del período de monitoreo
0.5-2
Variabilidad inter-anual
2-5
Incertidumbre global del recurso solar
5-17
Schnitzer Marie Reducing Uncertainty in Solar Energy Estimates A Case Study, AWS Truepower,
March 2012.
Riesgo & Incertidumbre en Radiación Solar, Fundación Chile, CENER, 2013.
Tabla 2. Rangos de valores generales de incertidumbre para el recurso solar.
110
PXX
Relación
P50 =
µ
P84 =
µ-σ*µ
P90 =
µ - 1.282 * σ * µ
P95 =
µ - 1.645 * σ * µ
P99 =
µ - 2.326 * σ * µ
Aron Dobos, Paul Gilman and Michael Kasberg; P50/P90
Analysis with the System Advisor Model; National Renewable
Energy Laboratory NREL, May, 2012.
Pramod Jain; Wind Energy Engineering; McGraw Hill Companies, Inc., New York, USA 2011.
Tabla 3. Relaciones con base en la PXX seleccionada.
Cálculo del impacto de la
incertidumbre en el CNG
eólica y parámetros base
El CNG es el método más usado para proyectos
de generación eléctrica, y explicaciones detalladas
sobre el mismo se encuentran en autores como
Borja, 2007 y Alonso et al, 2006. Su valor expresa
el costo promedio de la unidad de producción
($/kWh) durante la vida útil esperada del generador. Para su cálculo, los costos totales durante la
vida útil y la energía total producida se reducen a
valor presente al inicio de operación, a una tasa de
descuento considerada.
Los parámetros que se toman en cuenta son
los que se ocupan generalmente para evaluar
proyectos de inversión. Los datos reportados en la
tabla 4 son valores medios consultados en diversas
fuentes de instituciones con vasta experiencia en
el tema, como la European Wind Energy Association (EWEA), el COPAR, la Agencia Internacional de la Energía (AIE), entre otras.
Un posible escenario considera la variación de
incertidumbre desde 3% a 18%, afectando la
producción de energía anual sobre la base de P50
y P90, como se observa en la tabla 5a.
Artículo técnico
Parámetro
Valor
Unidades
Generación anual de
energía P50
306,600
MWh/año
Factor de planta
35
%
Potencia instalada
100
MW
Costo de inversión unitario 1,700
USD/kW
Costo de inversión de la
central
170
MUSD
Vida útil de la planta
20
años
Tasa de descuento
10
%
Costos de operación y
mantenimiento
0.01
USD/
kWh
Monto por reposición de
equipo
20
%
a)
Tabla 4. Parámetros base para el cálculo del CNG
para una central eólica.
b)
Incertidumbre
P50
P90
P99
Energía estimada GWh/año
3%
306.60
294.81
285.21
9%
306.60
271.22
242.42
12%
306.60
259.43
221.02
15%
306.60
247.64
199.63
18%
306.60
235.85
178.23
P50
P90
a)
Incertidumbre
P99
Costo nivelado de generación USD/kWh
3%
0.0771
0.0797
0.0820
9%
0.0771
0.0856
0.0944
12%
0.0771
0.0890
0.1023
15%
0.0771
0.0926
0.1120
18%
0.0771
0.0967
0.1240
b)
Tabla 5. Impacto de la variación de incertidumbre
en P90 y P99 para una central eólica.
Figura 2. Impacto de incertidumbre en el CNG de energía eólica y FV sobre
P90 y P99.
Resultados en el costo nivelado de
generación eólica
El costo nivelado de generación para una planta de generación eléctrica en
condiciones evaluadas en caso base es de 7.7 ctvs de dólar/kWh. La energía
estimada para P90 y P99 se ve afectada entre más grande sea la incertidumbre, e impacta notablemente en su CNG. En la tabla 5b se tienen los
resultados. En la figura 2a se muestra cómo en la medida que la incertidumbre crece, el diferencial del impacto en el CNG para la P99 es cada vez
mayor. Cabe resaltar la importancia que tiene el cuidar los detalles desde la
medición del recurso, la selección de la turbina y el mantenimiento a los
aerogeneradores ya instalados para reducir al máximo la incertidumbre.
Parámetros base para el cálculo del CNG de
energía solar
Los parámetros base para evaluar un sistema de generación fotovoltaico se
relacionan en la tabla 6. Estos valores son típicos para una planta de generación fotovoltaica (FV) a gran escala. Para estimar la producción de energía
anual se aplica el mismo principio que para la energía eólica y los resultados
se reportan en la tabla 7a.
111
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Artículo técnico
Parámetro
Valor
Generación anual de energía P50
Factor de planta
Unidades
8,760 MWh/año
20 %
Potencia instalada
5 MW
Costo de inversión unitario
2,670 USD/kW
Costo de inversión de la central
13.35 MUSD
Vida útil de la planta
25 años
Tasa de descuento
10 % Costos de operación y mantenimiento
1 % sobre inversión
Monto por reposición de equipo
20 % de inversión para inversor
Tabla 6. Parámetros base para evaluar el CNG de una planta FV.
Incertidumbre
3%
9%
12%
15%
18%
a)
Incertidumbre
3%
9%
12%
15%
18%
P50
P90
P99
Energía estimada GWh/año
8.76
8.76
8.76
8.76
8.76
8.42
7.75
7.41
7.08
6.74
P50
8.15
6.93
6.31
5.70
5.09
P90
P99
Costo nivelado de generación USD/kWh
0.1489
0.1548
0.1600
0.1489
0.1683
0.1883
0.1489
0.1759
0.2065
0.1489
0.1843
0.2286
0.1489
0.1935
0.2561
b)
Tabla 7. Impacto de la variación de incertidumbre en P90 y P99 para una
central FV.
112
Resultados en el costo
nivelado de energía solar
En la tabla 7b se observa el costo nivelado de
generación para cada caso evaluado, al igual que
un sistema eólico. La incertidumbre tiene un gran
impacto en la economía de un sistema de generación FV.
En la figura 2b se muestra cómo en la medida que
aumenta la incertidumbre, el diferencial del CNG
se incrementa en el caso de la energía FV.
Conclusiones
Ciertamente, la estimación espacio-temporal del
potencial energético del viento y de la radiación
solar en suelo es de lo más incierto. La reducción
de la incertidumbre es una condición prioritaria
para maximizar la rentabilidad de un proyecto
y definitivamente al margen de metodologías y
formas que cada organización utilice, el tema es
la estimación de la producción a futuro. El hecho
es que tiene que ver con predicción, algo que ha
preocupado a la humanidad desde siempre y la
realidad es que estrictamente hablando, el futuro
no se conoce, es incierto, por lo que las estimaciones tienen un valor útil pero relativo. Casi
todas en el contexto de las proyecciones financieras tienen como origen una tendencia con base
en la información de que se dispone, proveniente
de datos observados de un “estado de la natura”
dado, por lo que es de esperar comportamientos
similares a futuro en el recurso estudiado, sin
embargo, no hay que perder de vista que éste “es
de esperar”, no considera eventos asociados a las
condiciones de los ecosistemas incluyendo al ser
humano y al medio biofísico (Alberti, 2009),
en donde uno de los efectos más notables es el
cambio climático. En términos prácticos esto
significa que los sitios estudiados para el desarrollo
de proyectos pueden perder sus características
favorables de recurso disponible en un tiempo
relativamente corto, debido a las condiciones
cambiantes del medio biofísico en que se encuentran. De igual forma, sitios considerados no favorables tienen la posibilidad de volverse de interés
para el desarrollo de proyectos, lo que significa
que el cambio climático es otro factor de incertidumbre a tomar en las proyecciones financieras.
Artículo técnico
Referencias
3TIER Wind. Preliminary power estimate: for the potential project
site using a generic 82 m turbine at 80m hub. 3TIER, 2012.
Marina A. Advances in Urban Ecology, Springer Science Business
Media, 2009.
Alonso G., Ramírez R. y Palacios J. Análisis de costos nivelados
de la generación de electricidad en México, Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares. Simposio LAS-ANS Argentina, junio
de 2006.
Borja M. Taller de introducción a la tecnología de aerogeneradores
módulo 2: consideraciones iniciales, Instituto de Investigaciones
Eléctricas, Gerencia de Energías No Convencionales, julio de
2007. Cooper Energy Cumulative Probability – P90, P50, P10, [en
línea]. Recuperado de http://www.cooperenergy.com.au/images/
files/Cumulative%20Probability%20P90%20P50%20P10.pdf
Erazo A. Impacto de las actividades de prospección de recursos en
el desarrollo de proyectos ERNC, Acciona Energía, abril de 2011.
RUBÉN CARIÑO GARAY
[[email protected]]
NMX-CH-140-IMNC-2002. Guía para la expresión de la incertidumbre de las mediciones equivalente a Guide to the Expression of
Uncertainty in Measurement, BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAP,
IUPAC, OIML (1995).
Maestría en Informática por la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias
Sociales y Administrativas (UPIICSA) del Instituto Politécnico Nacional en 1982. Ingeniero
Químico Metalúrgico por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1975.
Ingresó al IIE en 1986. Una de sus especialidades es el cumplimiento de la conformidad del diseño
de aerogeneradores y el análisis estadístico en la calibración de anemómetros. Actualmente es
investigador en la Gerencia de Energías No Convencionales (GENC-IIE). Ha participado en el
proyecto de diseño de un aerogenerador de 1.2 MW y de evaluación de recursos, en el tema del
proceso para la calibración de anemómetros de copas. Ha sido instructor en el curso de energía
eólica. Tiene una patente otorgada y un modelo de utilidad.
Mikkelsen T. Remote Sensing of Wind, Technical University of
Denmark, Department of Wind Energy, DTU RisØ Campus.
Lowder T. P50? P90? Exceedance Probabilities Demystified,
[en línea]. Recuperado de https://financere.nrel.gov/finance/
content/p50-p90-exceedance-probabilities-demystified
M. CONSOLACIÓN MEDRANO VACA
[[email protected]]
Maestra en Ingeniería Energética por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM).
Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Ingresó al IIE
en 1985 y labora en la Gerencia de Energías No Convencionales (GENC) desde 1995. Su área de
especialidad se enfoca en la evaluación económica financiera de proyectos de energía renovable. Ha
participado en proyectos diversos de generación eléctrica a partir de fuentes renovables como son:
incineración de residuos sólidos municipales, biogás de rellenos sanitarios, fotovoltaicos, eólica e
hidráulica, entre otros. Ha participado como instructor en diplomados de sistemas fotovoltaicos
interconectados a la red impartidos por la GENC, con el módulo de evaluación económica.
113
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Comunidad IIE
8° Simposium Latinoamericano
de la Energía 2013
Los días 14 y 15 de agosto se llevó a cabo en el Centro Banamex de la Ciudad
de México, el octavo Simposium Latinoamericano de la Energía, organizado
por la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas (CANAME), cuyo tema
central fue: las “tendencias globales en ahorro de energía y energías renovables”.
Como parte principal del evento se contó con los paneles de “eficiencia energética y energías renovables”, “tendencias globales en ahorro de energía en
México y en el mundo”, “redes eléctricas inteligentes (smart grid). Tendencias
globales”.
Paralelamente se contó con un área de exhibición en donde a través de
55 stands se presentaron productos innovadores y de vanguardia. Cabe destacar
que el IIE tuvo presencia con un stand, donde se expusieron sus capacidades
en el área de energías renovales, eficiencia energética, cogeneración, diagnósticos energéticos, evaluación de programas de eficiencia energética, redes inteligentes y servicios técnicos especializados y visitado por fabricantes de equipo,
académicos, constructores y comerciantes de los sectores eléctrico y energético,
así como de la industria en general.
Presencia del IIE en la RVP-AI/2013
El 7 de julio tuvo lugar en el puerto de Acapulco la vigésima sexta Reunión
de Verano de Potencia, Aplicaciones Industriales y Exposiciones Industriales
(RVP-AI) 2013, en la que se abarcaron temas relacionados con los aspectos
regulatorios de las empresas eléctricas, el cambio climático, redes inteligentes,
pérdidas en redes eléctricas, innovación tecnológica, cables subterráneos
y gerencia de ingeniería, la cual fue inaugurada por Luis Carlos Hernández
Ayala, Director de Operación de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).
En la reunión se habló sobre los nuevos horizontes que se plantean en el IIE,
los cuales obedecen a políticas públicas como la Estrategia Nacional de Energía
y el Plan Nacional de Desarrollo y se resaltó el apoyo brindado a la CFE y
PEMEX como principales proveedores de proyectos. También se habló sobre la
necesidad de invertir los porcentajes de dependencia de los recursos energéticos
finitos por fuentes de energía no convencionales y se hizo hincapié en que el
Instituto tiene el conocimiento necesario en estos rubros para lograr avances
significativos.
El IIE también tuvo presencia en la exposición industrial con diferentes
productos, como el robot de inspección de tuberías, los medidores inteligentes
SIM-IV, el inversor fotovoltaico, la Máquina Eólica Mexicana (MEM) y los
conceptos de ciudad inteligente y granjas solares.
114
Comunidad IIE
PCIC México 2013
Del 24 al 26 de julio se llevó a cabo en la Ciudad de México, la Conferencia
Técnica para la Industria Petrolera y Química en México o PCIC México 2013
(Petroleum and Chemical Industry Conference), que incluyó un espacio exclusivo
a la visión de la ingeniería con énfasis en las nuevas aplicaciones de la tecnología en la industria petrolera.
PCIC México 2013 ofreció un programa muy completo que incluyó conferencias magistrales dictadas por personalidades de amplia experiencia y tuvo como
invitado especial al IIE. José Miguel González Santaló, Director de Sistemas
Mecánicos, inauguró el evento y dictó una de las conferencias magistrales con
el tema: “captación de CO2”.
Asimismo, el IIE coordinó y presentó cuatro conferencias técnicas presentadas
en cada una de las tres sesiones paneles por Joaquín García, quien habló sobre
Architectures, Standards and Communications Technologies for the Smart Grid;
Rito Mijarez: Development of HPHT downhole measurements tools: challenges
and strategies; Hugo Pérez Rebolledo: Integrated Management of Energy Efficiency in Electrical Systems, y Omar Hernández: Energy Efficiency in Petrochemical Electrical Systems.
Cabe señalar que el PCIC México fue coorganizado con personal del IIE.
Investigador del IIE reelecto como
Director del Board of Directors de la IGA
El 15 de julio de 2013, Eduardo Iglesias Rodríguez, investigador de la Gerencia
de Geotermia (GG) del IIE y Doctor en Ciencias fue reelecto como Director
de la Junta Directiva de la International Geothermal Association (IGA), para el
período 2013-2016.
Cabe destacar que Eduardo Iglesias ha sido electo para este puesto en cinco
ocasiones durante diferentes periodos, los cuales son de tres años con posibilidad de relección, sin embargo, después de completar dos periodos consecutivos es obligatorio dejar pasar al menos uno antes de presentarse nuevamente
a elecciones.
Eduardo Iglesias es actualmente Presidente del Comité de Información de
la IGA y como tal es responsable de aconsejar a la Junta Directiva acerca de
las políticas para la compilación, publicación, intercambio y diseminación
de información geotérmica. Además se desempeña como editor de la revista
trimestral IGA News, es Consejero del Comité Ejecutivo, miembro de los
Comités de Nominación, y de Recursos y Reservas.
La participación del investigador en la Junta Directiva de la IGA ha proporcionado a la Gerencia de Geotermia una extensa red de útiles contactos con la
comunidad geotérmica internacional, algunos de los cuales han resultado en
solicitudes de cooperación o proyectos vendidos a países latinoamericanos.
115
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Comunidad IIE
Asiste el IIE al 2013 IEEE PESGM
Del 21 al 25 de julio se llevó a cabo el 2013 IEEE Power and Energy Society
General Meeting, Shapping the Future Industry (2013 IEEE PESGM) en el
Centro de Convenciones de Vancouver, Canadá, organizado por la IEEE Power
and Energy y cuyo propósito se centró en reunir y revisar trabajos teórico-prácticos relevantes relacionados con la energía, aplicaciones en línea a mediano y
largo plazo, a través de conferencias, reuniones y exposiciones.
Por parte del IIE asistió el investigador Eric Zabre Borgaro, quien presentó
el artículo técnico: Reliability Recovery in Attending Power Plants by Means of
Alarm Rationalization, realizado en colaboración con Víctor Jiménez Sánchez,
Mayolo Salinas Camacho y Rafael Román Cuevas, investigadores de la
Gerencia de Sistemas Avanzados de Capacitación y Simulación, y Octavio
Gómez Camargo, investigador de la Gerencia de Control, Electrónica y
Comunicaciones, quienes además participaron como coautores del proyecto.
Este congreso representó un foro de intercambio y aprendizaje para el IIE,
dado que logró reunir aproximadamente a tres mil participantes entre investigadores y académicos de diversos países del mundo.
Tecnologías de conversión térmica
para residuos sólidos municipales
Durante el segundo trimestre de 2013 se realizó el 21st Annual North American
Waste-To-Energy Conference en Fort Myers, Florida, Estados Unidos, evento al
que acudió César Romo Millares, investigador de la Gerencia de Energías No
Convencionales (GENC) del IIE. Cabe destacar que dicha conferencia es líder
en el tema de plantas de conversión térmica de residuos sólidos urbanos con
generación eléctrica.
En 2012, la GENC desarrolló, para la Coordinación de Distribución de la
Comisión Federal de Electricidad (CFE), los proyectos: factibilidad técnica
y económica del proyecto piloto de central termoeléctrica de incineración
de residuos sólidos municipales (RSM) con recuperación de energía para el
Estado de México, además de la ingeniería básica para su licitación y la guía de
generación de electricidad mediante residuos sólidos urbanos.
Este 2013, la CFE ha solicitado a la GENC continuar con el apoyo en este
tema, con el fin de detectar oportunidades y promover con los gobiernos estatales y municipales del país, la generación de electricidad con residuos sólidos
urbanos, con el objetivo de satisfacer necesidades internas y la producción
independiente de energía.
116
Comunidad IIE
Investigadores del IIE participan
en capítulo de libro
Pablo H. Ibargüengoytia, Roberto Liñán y Alberth Pascacio, investigadores del
IIE, junto con Enrique Betancourt, investigador de Prolec GE, publicaron el
resultado de un proyecto como capítulo del libro: Recent Advances in vibration
analysis, editado por Natalie Baddour en la editorial InTech.
El capítulo publicado lleva por título: Probabilistic vibration models in the
diagnosis of power transformers y presenta los resultados del proyecto que se le
realizó a la compañía Prolec GE, para el diagnóstico de sus transformadores
basado en el análisis de las señales de vibración del transformador.
La hipótesis del proyecto plantea que existe un patrón de vibraciones cuando
un transformador opera normalmente y de ahí se pueden identificar desviaciones a ese comportamiento normal. Para identificar los modelos de transformador funcionando correctamente se “aprendieron” los patrones de vibración,
usando técnicas de inteligencia artificial.
Se realizaron mediciones de vibración en el tanque de varios transformadores en
el piso de pruebas de la fábrica de Prolec GE y ya con los modelos aprendidos, al
sensar la vibración en cualquier otro transformador con diseño similar, se genera
un valor de probabilidad de que el transformador opere correctamente. Con este
cálculo se pueden identificar fallas desde sus primeras manifestaciones.
Application of Structural Analysis
to Improve Fault Diagnosis in a Gas Turbine
El libro titulado Gas Turbines de la editorial INTECH se publicó en septiembre
de 2010 y cuenta con la colaboración de Marino Sánchez Parra, investigador
de la Gerencia de Control, Electrónica y Comunicaciones del IIE.
El capítulo 11 de este libro se titula: Application of Structural Analysis to Improve
Fault Diagnosis in a Gas Turbine y en él se expone el trabajo realizado por los
autores: Cristina Verde, investigadora del Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y Marino Sánchez, mostrándose resultados parciales de su trabajo de investigación doctoral.
Cabe destacar que este capítulo ha acumulado 6,000 descargas a nivel internacional desde su publicación, las cuales se han hecho principalmente en Estados
Unidos (828), India (414), China (195), Alemania y Japón (141 cada uno).
El diagnóstico es un componente importante en el desarrollo de sistemas
de pronóstico de fallas, útiles para el mantenimiento predictivo de procesos
industriales, por lo que existe un buen potencial de aplicación en unidades de
generación hidroeléctrica, turbogeneradores de gas/vapor y aerogeneradores.
Esta técnica aún no se ha podido implantar en alguna aplicación, de manera
que no ha habido, a la fecha, un retorno de inversión para el IIE, por lo que se
continúa buscando una aplicación.
117
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Breves técnicas
Determinación del potencial energético
de la biomasa
Hipólito Romero Tehuitzil y José Luis Arvizu Fernández
[[email protected] y [email protected]]
El estudio de la conversión de biomasa a energía eléctrica ha sido un tema de
interés por más de tres décadas en la Gerencia de Energías No Convencionales
del Instituto de Investigaciones Eléctricas (GENC-IIE).
Se han realizado investigaciones para el diseño y construcción de digestores
domésticos con fines no solo energéticos, sino también para la reducción de los
efectos de contaminantes que contribuyen al calentamiento global del planeta.
Cabe destacar los trabajos para la determinación del porcentaje óptimo de
sólidos y la evaluación de la influencia de la temperatura de la digestión de los
desechos orgánicos.
Se han desarrollado proyectos y metodologías para la evaluación del potencial
del biogás para la generación de electricidad en rellenos sanitarios municipales.
Ejemplos son los trabajos desarrollados para el municipio de Aguascalientes y
la evaluación técnica y económica del biogás producido en el relleno sanitario
Bordo Poniente del Gobierno del Distrito Federal.
118
Actualmente se profundiza en el desarrollo de
metodologías para la evaluación técnica y financiera
de tecnologías termoquímicas (incineración y gasificación), para la conversión de residuos urbanos,
agrícolas y forestales a energía, así como la reducción de emisiones de metano y dióxido de carbono.
Para ello se cuenta con equipo para su análisis
químico y físico, tanto de campo como de laboratorio, para la valorización energética de la biomasa,
así como las herramientas computacionales para la
simulación de los procesos.
En resumen, la GENC-IIE cuenta con sólida experiencia e infraestructura para realizar estudios de
evaluación del potencial energético de la biomasa,
así como para determinar la viabilidad técnica y
económica de proyectos de aprovechamiento de este
recurso en la generación de electricidad.
Breves técnicas
Laboratorio Nacional para la Evaluación de los
Recursos Energéticos Renovables en México
Ubaldo Miranda Miranda
[[email protected]]
El Laboratorio Nacional para la Evaluación de los
Recursos Energéticos Renovables en México (LERM)
fue creado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), con apoyo del Consejo Nacional de
Ciencia y Tecnología a finales de 2007 y cuenta con
equipo de laboratorio, disponible para el monitoreo
de los recursos eólico, solar, biomásico, minihidráulico y oceánico. Asimismo cuenta con un sistema de
cómputo de alto rendimiento para el procesamiento,
almacenamiento, intercambio y difusión de resultados.
El LERM está acoplado con el Sistema de Información Geográfica para las Energías Renovables
(SIGER), infraestructura de la Gerencia de Energías No Convencionales (GENC-IIE) para la generación y publicación de mapas. Uno de los resultados relevantes es la cartografía de los recursos
eólicos y solares de México, que fue presentada
por el Gobierno Federal en la COP16. Los mapas
se integraron al sistema de consulta de la GENC,
disponible en http://sag01.iie.org.mx/siger.
• Campañas de monitoreo del flujo en ríos y canales.
• Campañas de monitoreo de olas, mareas y corrientes marinas.
• Monitoreo y evaluación de gases de rellenos sanitarios.
• Calibración de anemómetros de copas.
• Análisis técnicos y económicos de proyectos.
• Procesamiento de datos.
• Capacitación en temas de evaluación energética de fuentes no convencionales de energía.
• Elaboración de cartografía de las energías renovables y creación de
geoportales.
El LERM se encuentra al servicio de gobiernos
municipales, estatales y federal, instituciones
educativas y de investigación, desarrolladores de
proyectos, y todo aquel interesado en la evaluación
de los recursos energéticos renovables. Algunos de
los servicios que se ofrecen incluyen:
• Selección de sitios para campañas de monitoreo
de viento y radiación solar.
• Integración, operación y mantenimiento de
estaciones de monitoreo de viento, radiación
solar y flujo en ríos.
• Campañas de monitoreo de perfiles verticales
de viento.
119
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Breves técnicas
Sistema de monitoreo
de perfiles verticales del viento
Ubaldo Miranda Miranda
[[email protected]]
La tecnología eoloeléctrica ha tenido un desarrollo impresionante en los
últimos años, lo que ha dado lugar a la construcción de aerogeneradores cada
día de mayor tamaño que actualmente superan los 100 metros de diámetro y
son montados en torres de alturas similares.
Los organismos internacionales recomiendan que para estudios de factibilidad
económica, los datos de viento se deben medir a la altura del centro del rotor,
lo cual implica hacer costosas instalaciones de monitoreo en torres muy altas.
Una opción para medir el viento hasta alturas mayores al eje del rotor y obtener
el perfil vertical del viento con buena resolución es emplear un MiniSODAR.
Estos equipos aparecieron en el mercado para propósitos de evaluación eólica
y representan ventajas sobre las mediciones tradicionales porque las campañas
resultan más económicas, se alcanzan las alturas de medición requeridas y
el equipo es portátil y pequeño. Cabe destacar que para realizar una buena
campaña de medición, lo óptimo es contar con una torre de mediana altura y
un MiniSODAR.
Un SODAR (SOund Detection And Ranging)
mide el perfil tridimensional del viento en la
capa baja de la atmósfera, envía pulsos de sonido
emitidos a una frecuencia específica y aprovechando el efecto Doppler, determina la velocidad a
la que se mueven las masas del aire.
La Gerencia de Energías No Convencionales del
Instituto de Investigaciones Eléctricas (GENC-IIE)
cuenta con un MiniSODAR marca ASC, que
alcanza alturas superiores a los 200 metros, con
una resolución de 5 metros. Se ha empleado en
campañas de monitoreo de perfiles verticales del
viento en la Central Nucleoeléctrica Laguna Verde
con muy buenos resultados avalados por personal
de la misma, entre ellos el Meteorólogo Rodrigo
Mancilla Osorio, responsable de la Estación Meteorológica Laguna Verde.
120
Breves técnicas
Túnel de viento del IIE
Fortino Mejía Neri y Rubén Isaac Cariño Garay
[[email protected] y [email protected]]
El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE)
cuenta con un túnel de viento que fue diseñado y
construido dentro de sus instalaciones de Palmira,
Morelos, e inició sus operaciones en 1989 con los
siguientes propósitos:
•
Llevar a cabo pruebas de prototipos de
comportamiento de sistemas conversores de
energía eólica.
•
Realizar pruebas en modelos a escala de torres
y cables de transmisión.
•
Hacer análisis de perfiles aerodinámicos y
calibración de instrumentos de medición de
viento.
El túnel trabaja dentro del intervalo de 2.7 a 40 m/s. Está equipado con un
sistema de adquisición de datos, que en su hardware incluye acondicionamiento de señales, conversión analógica-digital, sensores de temperatura,
humedad, presión barométrica y tubos Pitot con transductores de presión
para la obtención de presiones dinámicas. Cuenta con la funcionalidad para
llevar a cabo el cálculo de la velocidad del viento que se toma de referencia para
realizar calibraciones de tubos Pitot industriales tipo S, tipo L y Prandtl, así
como de anemómetros de copas, por lo que el sistema toma la frecuencia del
anemómetro en velocidades y secuencias predeterminadas en el procedimiento
de calibración correspondiente.
Actualmente se encuentra en desarrollo la acreditación del proceso de calibración de anemómetros de copas.
121
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Artículo de investigación
Caracterización preliminar
del potencial energético del viento
en el cerro La Virgen, Zacatecas
Ricardo Saldaña Flores1, Víctor Manuel García Saldivar2, Ubaldo Miranda Miranda1,
Sergio Miguel Durón Torres2 y María Flor Morales Reyes1
Artículo presentado originalmente en el XX Congreso Mexicano de Meteorología y V Congreso
Internacional de Meteorología de la OMMAC 2011, en Acapulco, Guerrero, ISBN Obra Independiente:
978-607-95130-4-7
2
122
1
Gerencia de Energías No Convencionales del IIE
Unidad Académica de Ciencias Químicas, UAZ, Zacatecas
Artículo de investigación
Abstract
In the present work, a preliminary characterization of the behavior and level of energetic potential of the wind in La Virgen hill, Zacatecas is
carried out, in order to conduct future studies on its harnessing for the production of electricity through wind turbines.
By using information of wind speed and direction measured at 20 m, 40 m and 60 m height, and temperature and atmospheric pressure
measured at ground level, every 2 seconds and averaged on 10 minute intervals, from September 12th, 2007 to September 11th, 2009, it
was obtained the wind speed average, standard deviation, the parameters k and c of the Weibull P.D.F., maximum speed and power density
at a point located in La Virgen hill, Zacatecas. Subsequently the electric generation through a wind turbine, obtaining its plant factor was
estimated.
The modeling of wind speed and power density at 80 m height around the measurement point and the identification of the areas of greatest
energetic content were also conducted.
After wind measurement made during two years, an average speed between 6.6 and 7.2 m/s at 20 and 60 meters respectively was found,
with power density values between 236.8 and 346.6 W/m2, being the winds from SSW those more energetic. As for wind power generation it
was estimated annual plant factors above 30%.
Given the characteristics of the wind in the place of study and its level of energetic potential, it is possible, from the point of view of its
available wind resource, the use of wind turbines for electric generation, being necessary to carry out further studies to determine its technical
and economic feasibility.
Introducción
En el presente trabajo se lleva a cabo la caracterización, de manera preliminar, del comportamiento
y nivel de potencialidad energética del viento en el
cerro La Virgen, Zacatecas, con miras a realizar estudios sobre su aprovechamiento para la producción
de energía eléctrica a través de aerogeneradores.
Empleando información medida de la velocidad
y dirección del viento a 20, 40 y 60 metros de
altura, así como de temperatura ambiente y
presión atmosférica a nivel de piso cada dos
segundos y promediada en intervalos de 10
minutos, entre el 12 de septiembre de 2007 y el 11
de septiembre de 2009, se determinó la velocidad
promedio del viento, desviación estándar, parámetros k y c de la función de densidad de probabilidad de Weibull, velocidad máxima y densidad
de potencia en un punto localizado en el cerro La
Virgen, Zacatecas, en las coordenadas geográficas
102° 32’ 52” longitud Oeste, 22° 44’ 07” latitud
Norte y 2,697 m.s.n.m. (x=751,834.87 metros,
y=2,516,299.72 metros; UTM zona 13 Norte).
Posteriormente se estimó la generación eoloeléctrica a través de un aerogenerador determinando su
factor de planta.
Asimismo se llevó a cabo la modelación de la velocidad y densidad de potencia
del viento a 80 metros de altura en los alrededores del punto de medición,
determinándose las zonas de mayor contenido energético.
A partir de la medición del viento durante dos años se encontró una velocidad
promedio entre 6.6 y 7.2 m/s a 20 y 60 metros de altura respectivamente, con
valores de densidad de potencia entre 236.8 y 346.6 W/m2, siendo los vientos
del SSW los de mayor aporte energético. En cuanto a la generación eoloeléctrica
se estimaron factores de planta anuales superiores al 30%.
Dadas las características del viento en el lugar de estudio y su nivel de
potencialidad energética se deduce que es posible, desde el punto de vista
de disponibilidad del recurso, implementar aerogeneradores para la generación eléctrica, requiriéndose realizar estudios posteriores que permitan determinar su factibilidad técnico-económica.
Metodología
A partir de mediciones anemométricas realizadas a 20, 40 y 60 metros de altura
cada dos segundos y promediadas cada 10 minutos, durante 24 meses (12 de
septiembre de 2007 al 11 septiembre de 2009), en un sitio localizado en
el Cerro La Virgen, Zacatecas, cuyas coordenadas geográficas son 102° 32’
52” longitud Oeste, 22° 44’ 07” latitud Norte y 2697 m.s.n.m. (x=751,834.87
m, y=2,516,299.72 m; UTM zona 13 N) se llevó a cabo la estimación de
la velocidad promedio del viento, desviación estándar, factores de forma y de
escala, k y c de la función de densidad de probabilidad de Weibull, velocidad
máxima y densidad de potencia.
123
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Artículo de investigación
Asimismo se determinaron las curvas de distribución de velocidades a 20, 40 y
60 metros de altura.
La densidad de potencia del viento (W/m2) está
dada por:
Finalmente se extrapoló la velocidad a 80 metros de altura y se determinó la
curva de distribución de frecuencias de velocidades y el potencial de generación eléctrica a través de un aerogenerador comercial estimándose el factor de
planta para el período de mediciones.
p =1 r
2
La función de densidad de probabilidad de Weibull está definida por:
( )(uc )
p(u)= kc
k –1 –
e
k
(uc )
∫
∞
0
u3 p(u) d u
ρ = densidad del aire (kg/m3)
La potencia generada está dada por:
∫u P(u) p(u) d u
PG =
us
i
donde:
u = velocidad del viento (m/s)
k = factor de forma
c = factor de escala (m/s)
P(u) = Función de generación (kW)
ui = Velocidad de inicio de generación (m/s)
us = Velocidad de salida de generación (m/s)
El factor de planta es:
si:
()
k= s
u
– 1.086
donde:
fp =
PG
Pnom
Pnom = Potencia nominal (máxima potencia) del
aerogenerador (kW)
u = velocidad promedio del viento (m/s)
σ = desviación estándar de la velocidad (m/s)
c=
u
G (1+1/k)
Resultados
En la figura 1 (a y b) se muestra la localización del
sitio de medición.
La tabla 1 muestra los valores anuales de velocidad
promedio, desviación estándar, factores k y c de la
función de densidad de probabilidad de Weibull,
velocidad máxima y densidad de potencia obtenidos
para el período de medición.
Las figuras 2 a 5 muestran las curvas de distribución
de velocidades a 20, 40, 60 y 80 metros de altura.
La curva de distribución de velocidades a 80 metros
de altura se elaboró empleando la ley de la potencia,
con exponentes α obtenidos con las velocidades
medidas a 20, 40 y 60 metros de altura.
Las cuatro curvas de distribución muestran su
correspondiente distribución de Weibull que
mejor la aproxima.
124
Artículo de investigación
Figura 1a. Localización del área de estudio en el estado de
Zacatecas.
Altura Velocidad Promedio
(m)
(m/s)
Figura 1b. Ubicación de la estación anemométrica.
Desviación Estándar
(m/s)
k
c (m/s)
Velocidad Máxima
(m/s)
Densidad de Potencia
(W/m²)
20
6.56
3.27
2.11
7.41
34.48
236.76
40
7.05
3.51
2.11
7.97
36.24
292.62
60
7.21
3.66
2.07
8.15
36.40
318.89
80
7.41
3.78
2.07
8.37
37.18
346.56
Nota: Los valores a 80 metros de altura se estimaron a partir de la ley de la potencia, considerando los valores de velocidad a 20, 40 y 60 metros de altura.
Tabla 1. Características generales del recurso eólico.
Figura 2. Curva de distribución de frecuencias de velocidades a
20 metros de altura.
Figura 3. Curva de distribución de frecuencias de velocidades a
40 metros de altura.
125
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Artículo de investigación
Figura 4. Curva de distribución de frecuencias de velocidades a
60 metros de altura.
Figura 5. Curva de distribución de frecuencias de velocidades a
80 metros de altura.
Las figuras 6 y 7 muestran los resultados de la modelación de la velocidad media y densidad de potencia del viento a 80 metros de
altura.
La figura 8 muestra la curva de potencia de un aerogenerador comercial de 1.8 MW de capacidad nominal y 90 metros de diámetro.
La tabla 2 muestra estimaciones de la potencia y energía generada, así como factores de capacidad en forma mensual y anual, considerando una altura del eje del rotor de 80 metros y un valor de densidad del aire ρ=0.89 kg/m3.
Figura 6. Velocidad media estimada en los alrededores del sitio
de medición a 80 metros de altura.
126
Figura 7. Densidad de potencia estimada en los alrededores del
sitio de medición a 80 metros de altura.
Artículo de investigación
Conclusiones
El sitio estudiado presenta características de viento
adecuadas para su explotación energética con fines
de generación eoloeléctrica. Se requiere realizar
estudios sobre la instalación de aerogeneradores,
considerando las características del terreno, requerimientos técnicos e impactos ambientales.
Agradecimientos
Al Consejo Zacatecano de Ciencia, Tecnología e
Innovación (COZCYT) por el apoyo brindado a
través del proyecto ZAC-2006-C01-16112, del
cual se derivó la información empleada para la
realización del presente trabajo.
Referencias
Figura 8. Curva de potencia de un aerogenerador comercial de 1.8 MW de
capacidad nominal.
Mes
Velocidad
media
estimada
(m/s)
Potencia
Energía Generada Factor de
Generada (kW)
(MWh)
Planta (%)
Ene
8.39
727.0
540.9
40.4
Feb
8.90
803.8
540.2
44.7
Mar
9.57
874.3
650.6
48.6
Abr
9.03
841.7
606.0
46.8
May
7.39
576.9
429.2
32.1
Jun
6.15
345.1
248.5
19.2
Jul
6.50
409.0
304.3
22.7
Ago
6.00
326.1
242.6
18.1
Sep
5.52
259.0
186.5
14.4
Oct
6.15
364.5
271.2
20.2
Nov
7.43
525.1
378.1
29.2
Dic
7.89
667.0
496.2
37.1
Promedio
7.41
559.2
4898.6
31.1
Proyecto: Evaluación de los potenciales eólico del cerro de La
Virgen y solar de Zacatecas. Clave ZAC-2006-C01-16112.
Universidad Autónoma de Zacatecas. Abril, 2010.
INEGI. GEMA Geomodelos de altimetría del territorio nacional.
México.
RISØ. Getting started with WAsP 8. Risø National Laboratory,
Roskilde, Denmark. 2003.
Nota: Se consideró un 6.82% global de pérdidas.
Tabla 2. Generación mensual estimada.
127
Boletín IIE
julio-septiembre-2013
Artículo de investigación
UBALDO MIRANDA MIRANDA
[[email protected]]
De izquierda a derecha: Ricardo Saldaña Flores, María Flor Morales Reyes y Ubaldo Miranda
Miranda.
128
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 energéticos 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]]
MARÍA FLOR MORALES REYES
[[email protected]]
Doctor en Gestión del Conocimiento e Innovación en el Instituto Iberoamericano de Investigación y Docencia en Estrategias de la Administración. Maestría en Administración en la Universidad Juan Ruiz de Alarcón. Ingeniero en Energía por la Universidad Autónoma Metropolitana
(UAM) Iztapalapa. Asistió al International Course on the Implementation of Wind Power, impartido por la Fundación Holandesa de Energía. Cursó el Diplomado en Promoción y Comercialización 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 Desempeño 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.
Licenciada en Ciencias Atmosféricas por la Universidad Veracruzana, Xalapa, Veracruz. Diplomada en Sistemas de Información
Geográfica por la Universidad Nacional Autónoma de México
(UNAM). Ingresó al IIE en 1991 a la Gerencia de Energías No
Convencionales (GENC). Ha participado en proyectos sobre
dispersión atmosférica de contaminantes, evaluación de sistemas
energéticos híbridos, evaluación de potenciales energéticos solar
y eólico en diversas zonas del país, desarrollo de un sistema de
información geográfico para las energías renovables en México
y el Laboratorio Nacional para la Evaluación de Recursos Renovables en México (LERM). Su área de especialidad y sus actividades principales son la obtención, administración, exploración
de calidad y aplicación de información meteorológica y climatológica para la evaluación de potenciales energéticos de fuentes
alternas y su representación geográfica. Es autora de varios artículos nacionales e internacionales, derechos de autor y la publicación del primer servidor de mapas para las energías renovables
en México en internet, SIGER.