Transición energética, energıas renovables y energıa solar de

REVISTA MEXICANA DE FÍSICA S 59 (2) 75–84
OCTOBER 2013
Transición energética, energı́as renovables y energı́a solar de potencia
C. A. Estrada Gasca
Instituto de Energı́as Renovables, Universidad Nacional Autónoma de México,
Privada Xochicalco S/N, 62580, Temixco, Morelos, México.
Received 14 May 2013; accepted 23 May 2013
En este trabajo se reflexiona sobre la problemática energética mundial; la finitud de las fuentes fósiles y su impacto al medio ambiente. La
estructura energética mundial es no sustentable y se requiere de un cambio de paradigma energético basado en la eficiencia energética y el uso
de fuentes alternas como las energı́as renovables (ER). La demanda energética mundial está en continuo aumento a un ritmo de crecimiento
anual del 2.47 %. En un escenario al 2030 para la transformación del sistema mundial de energı́a, elaborado a partir del cumplimiento de
nuevas polı́ticas energéticas que consideran una economı́a baja en carbón para la protección del medio ambiente, todas las fuentes primarias
contribuyen a satisfacer la demanda energética. De hecho, las fuentes primarias de energı́a que más crecen son el gas y las ER. En particular,
la taza a la que las ER están creciendo y penetrando los mercados mundiales de la energı́a tiene una marcada similitud con la aparición de la
energı́a nuclear en los años 1970’s y 1980’s. México cuenta con abundantes recursos renovables y se han hecho esfuerzos importantes para
avanzar en el uso de las tecnologı́as que aprovechan las fuentes de ER. El potencial solar del paı́s es realmente muy grande y el uso de las
tecnologı́as solares que aprovechan dicho recurso es muy limitado. Se requiere, para garantizar el desarrollo sustentable en el paı́s, que el
estado mexicano se comprometa, con una visión a largo plazo, en el aprovechamiento de las ER y en el uso eficiente de la energı́a. Se deberán
generar las polı́ticas, los marcos legales, los incentivos económicos y los fondos de financiamiento para apoyar a la investigación cientı́fica y
tecnológica y permitir el desarrollo masivo de las ER y del uso eficiente de la energı́a en el paı́s.
Descriptores: Transición energética; energı́as renovables; energı́a solar; concentración solar.
This paper comments on the global energy problem, the finiteness of fossil fuels and their impact on the environment. The global energy
structure is unsustainable and requires a paradigm shift based on energy efficiency and the use of alternative and renewable energy (RE). The
global energy demand is continuously increasing at an annual growth rate of 2.47 %. In a scenario at 2030 from the IEA to transform the global
energy system (made from compliance with new energy policies that consider low carbon economy for the protection of the environment)
all primary sources contribute has meet energy demand. Actually, the primary sources of energy that have the fastest growing are Gas and
RE. In particular, the rate at which the RE are growing and penetrating the global energy markets has a strong similarity with the appearance
of nuclear energy in the years 1970’s and 1980’s. Mexico has abundant renewable resources and has made relevant effort to advance the
use of technologies that take advantage of RE sources. The country’s solar potential is really great and the use of solar technologies that
take advantage of this resource is very limited. To ensure sustainable development in the country, it is required the Mexican government
undertake, with a long-term vision, in the use and development of the RE and in the energy efficiency in Mexico. It should generate policies,
legal frameworks, economic incentives and financing funds to support scientific and technological research and allow massive development
of RE and the efficient use of energy in the country.
Keywords: Energy transition; renewable energy; solar energy; solar concentration systems.
PACS: 88.05.-b; 88.05.Ec; 88.40.-j; 88.40.fj; 88.40.fp; 88.40.fr
1. La problemática energética del mundo
El crecimiento de la población mundial en la última centuria
ha sido insólito: se estima que en el año 1930 era de 2,000
millones de personas, para el año 1960 de 3,000 millones y
en solo 39 año, esto es en 1999 se duplicó a 6,000 millones.
Actualmente es de más de 7,000 millones y se estima que
para el año 2030 seremos 8,000 millones de seres humanos
en el planeta. Este crecimiento poblacional esta estrechamente relacionado con el crecimiento en la demanda de energı́a
mundial.
En la actualidad, las fuentes primarias de energı́a que dominan en el mundo son los hidrocarburos y corresponden
al 81.2 % de toda la energı́a primaria producida y consumida. En México, la dependencia es mayor; en el año 2011,
el 91.2 % de la producción de energı́a primaria correspondió a combustibles fósiles, (64.1 % petróleo, 24 % gas y 3.1 %
carbón) [1].
Los paı́ses emergentes (China, India, Brasil, México. . .) y
los paı́ses menos desarrollados necesitan para su desenvolvimiento tener acceso pleno a las fuentes de energı́a modernas,
entendidas estas como electricidad y carburantes. De ahı́ que
la demanda energética mundial está en continuo aumento a
un ritmo de crecimiento anual del 2.47 %. A medida que crece la población y las economı́as, millones de personas en todo
el mundo disfrutan de los beneficios de un estilo de vida que
requiere cantidades de energı́a cada vez mayores. Según la
Administración de Información sobre Energı́a de los EUA
(EIA), en su escenario de referencia, la demanda mundial
de petróleo evolucionará de 87 millones de barriles al dı́a en
2011 a 119 millones de barriles diarios en 2040, es decir se
incrementará un 36 % más en ese periodo. Lo cual es un reto
muy grande en términos de inversiones, en particular, en un
contexto de declinación de las reservas de lo que se ha llamado el ”petróleo fácil”, esto es, fácil de extraer y trasportar, y
por ende barato.
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Este contexto de declinación de las reservas del “petróleo
fácil” es ya evidente. Muchos de los campos de petróleo y
gas del mundo están llegando a su madurez. La producción
de crudo tocó techo en los Estados Unidos en 1970, en Alaska en 1988, en el Mar del Norte en 1999 y en Cantarell en
2005, no obstante que los grandes descubrimientos más recientes fueron precisamente en esos lugares (en Alaska y en
el Mar del Norte en 1967 y en Cantarell en 1971). Los descubrimientos de nuevos yacimientos de fuentes energéticas se
dan principalmente en lugares donde los recursos son difı́ciles de extraer, ya sea por motivos fı́sicos, económicos o incluso polı́ticos.
¿Cuando tocará techo la producción mundial de este hidrocarburo? Algunos sugieren que ya se alcanzó, otros más
sugieren que se alcanzará en los próximos años.
A partir de ese momento la producción disminuirá. Cualesquiera que sea la fecha, para los expertos petroleros del
mundo es claro que este recurso está declinando rápidamente en relación a la escala temporal humana. Lo más probable
es que mucho antes que se alcance este lı́mite, que eventualmente puede ser extendido por los avances tecnológicos, el
juego de la oferta y la demanda petrolera y su impacto en la
evolución de los precios del petróleo constituirán los factores
determinantes del fin de la era del petróleo.
Adicionalmente, es común decir que la producción de gases de efecto invernadero, principalmente el bióxido de carbono debido al uso intensivo de los hidrocarburos, son los
precursores del incremento de la temperatura media global y
consecuentemente del llamado cambió climático, con todas
las consecuencias para los seres humanos que ello implica.
Ası́ llegamos a establecer que el problema energético
del mundo actual consiste en que las fuentes principales de
energı́a que usamos los humanos (los hidrocarburos) han
mostrado su finitud y que su uso intensivo tiene un impacto
al medio ambiente de dimensiones globales y catastróficas.
Esto es, el sistema energético mundial no es sustentable.
Ante esta situación energética mundial y nacional, México necesita un cambio de paradigma energético. Es urgente
una utilización más racional de la energı́a y la sustitución de
los combustibles fósiles por otros tipos de energı́a primaria.
Es inevitable preguntarse si existen fuentes energéticas suficiente que puedan sustituir a las fuentes fósiles y que permitan la conservación del medio ambiente para un desarrollo
sustentable. Este proceso de transición se debe lograr sin tensiones geopolı́ticas dramáticas por el control de los yacimientos de los hidrocarburos y sin la degradación irreversible del
medio ambiente natural, particularmente debida a las emisiones de gas de efecto invernadero.
Volvemos a preguntarnos ¿existen las fuentes energéticas
que puedan satisfacer esta necesidad? La respuesta es afirmativa; existen las fuentes renovables de energı́a; la energı́a solar
que en sus diversas manifestaciones directas (radiación solar
directa, difusa. . .) o indirectas (biomasa, eólica, hidráulica,
mareomotriz. . .) es la fuente de energı́a mas abundante en la
Tierra, además de la geotermia. La Figura 1 muestra el recurso energético disponible en el mundo, ası́ como el con-
sumo global anual de energı́a por los humanos. El consumo
energético anual, esto es, la demanda global (DG) de energı́a
primaria es aproximadamente de 425 EJ/año (EJ=exajulio=
1018 Julios).
La energı́a solar total anual que alcanza la superficie de
la Tierra y su atmósfera es 2,895,000 EJ/año ( 7,000 veces la
demanda global en 2004, DG), que representa unas 9 veces el
recurso total de todas las demás energı́as no-renovables, estimado en 325,300 EJ (770 veces la DG); Petróleo: 8,690 EJ
( 20 DG), Gas: 17,280 EJ ( 40 DG), Uranio 114,000 EJ ( 270
DG), Carbón: 185,330 EJ ( 440 DG). La Figura 1 muestra
estas cantidades en paralelepı́pedos rectangulares donde por
sus tamaños relativos se aprecian la abundancia de unos con
respecto a otros.
La energı́a solar en sus manifestaciones directa e indirecta junto con la energı́a geotérmica también se conocen como
energı́as renovables, esto es, fuentes de energı́a que por su
cantidad en relación a los consumos que los seres humanos
pueden hacer de ellas son consideradas inagotables y su propio consumo no afecta el medio ambiente.
Seguramente en el futuro se encontrarán más yacimientos
de hidrocarburos y material nuclear, sin embargo, es claro de
la figura 1 que las únicas fuentes que a largo plazo pueden
satisfacer la demanda mundial de los seres humanos en forma sustentable, en el presente o en el futuro, son las fuentes
renovables de energı́a.
Creemos que en este perı́odo transitorio hacia un sistema
energético sustentable, el uso racional y eficiente de las actuales fuentes energéticas y las energı́as alternativas: energı́as
renovables (ER) y energı́a nuclear, son la solución al problema energético planteado.
2.
Crecimiento Mundial de las ER
Las tecnologı́as que aprovechan a las fuentes renovables de
energı́a, en diversos estados de desarrollo, han estado presentes en la historia de los seres humanos desde siempre. Sin
F IGURA 1. Recurso energético disponible actualmente en el mundo, ası́ como el consumo global anual de energı́a por los humanos [2]
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TRANSICIÓN ENERGÉTICA, ENERGÍAS RENOVABLES Y ENERGÍA SOLAR DE POTENCIA
embargo, con el advenimiento de la revolución industrial, cuya pieza fundamental fue la maquina de vapor desarrollada por James Watt en 1774 y que requerı́a para su funcionamiento un combustible de alta densidad energética como
el carbón, las energı́as renovables empezaron a ser sustituidas por los hidrocarburos. En las últimas décadas y debido a
las crisis petroleras, la investigación y desarrollo de las tecnologı́as que aprovechan las fuentes renovables de energı́a
(FRE) se ha intensificado al punto de generar tecnologı́as actualmente en estado comercial. Pero más aún, estos mercados
han tenido en los últimos años un crecimiento muy importante.
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3. Estructura Energética en el mundo y en
México. Escenarios futuros
Entre los factores que han permitido el desarrollo actual
de los mercados de las FRE, se pueden mencionar a los siguientes:
F IGURA 2. Inversión mundial anual en ER (2004-2011) [4].
El alza de los precios de los hidrocarburos que llegó a
139 USD por barril en Junio del 2008 y que podrı́an
llegar a los 150 dólares por barril o más en los años
venideros.
El mercado mundial de emisiones de CO2 que esta en
19 USD la tonelada y en el futuro podrı́a llegar hasta
los 40 o 60 dólares la tonelada.
Las polı́ticas voluntarias de varios Estados (Unión Europea, Estados Unidos, China, India, Brasil) mas iniciativas locales que crean incentivos especiales para
usar tecnologı́as de FRE.
El progreso acelerado que han tenido las tecnologı́as
de energı́as renovables.
El progreso acelerado que han tenido las tecnologı́as
de energı́as renovables.
Es claro que las polı́ticas públicas de varios paı́ses han
ejercido una influencia fundamental en el crecimiento de los
mercados actuales de las energı́as renovables. Todos los indicadores de los mercados mundiales de las energı́as renovables
muestran que estas están creciendo aceleradamente [3]. La figura 2 muestra nuevas inversiones en energı́as renovables en
los mercados mundiales, llegando al 2011 con 257,000 millones de dólares. Sin embargo, y a pesar de este crecimiento,
el uso de las FRE sigue siendo pequeño comparado con el
uso de los hidrocarburos. En la próxima sección se muestra
la estructura actual de la energı́a total y de la producción de
electricidad en el mundo y en México y las contribuciones de
las ER.
En el año 2010, la producción mundial de energı́a primaria llegó a los 12,789.3 millones de toneladas equivalentes de
petróleo (Mtep, 1 Mtep = 41.84 × 109 J) y el consumo mundial de energı́a en ese mismo año fue de 8,676.6 Mtep. La
Figura 3 muestra, la producción mundial de energı́a primaria
para ese año [5]. El total de consumo de energı́a que corresponde a los hidrocarburos es del 81.2 %, indicando que son
estos el motor del mundo industrializado. A las energı́as renovables les corresponde un 13.2 %, sin embargo las renovables
tradicionales, principalmente la leña y la gran hidráulica sumadas dan el 12.1 %, dejando solo para las nuevas energı́as
renovables el 0.6 %. Estas últimas incluyen geotermia, eólica,
solar y oceánica.
La figura 4 muestra la estructura de la producción de
energı́a primaria en México para el año 2011, que correspondió a un total de 9,190.76 petajoules (PJ, 1 PJ = 1015 J).
La dependencia del paı́s de los hidrocarburos es de 91.2 %,
mayor al promedio mundial. La contribución de las nuevas
energı́as renovables excluyendo a la gran hidráulica y a la
biomasa convencional (leña) es pequeña, un poco abajo del
2 %, debiéndose fundamentalmente a la geotermia y a la eólica [5]. Tanto a nivel mundial como a nivel nacional el uso de
las energı́as renovables sigue siendo marginal.
Es importante saber en que se consume parte de la energı́a
que se produce en México sumada a la que se importa y/o exporta. La Tabla 1 presenta el consumo final total de energı́a
en el paı́s en los años 2010 y 2011 y su comparativo. Del consumo energético total, en 2011, aproximadamente el 19 % se
fue al sector residencial, comercial y público; el 46 % al sector transporte; el 27 % al industrial y solo el 3 % al sector
agropecuario. Es claro que el sector que más energéticos consume, fundamentalmente carburantes, es el del transporte. En
el 2011 hubo un incremento del consumo de energı́a total de
2.5 % comparado con el año anterior, siendo el consumo justo
en el sector transporte el que más aumentó.
Las tecnologı́as actuales que aprovechan las FRE pueden
ser utilizadas masivamente en estos sectores. Sin embargo, su
penetración en la mayorı́a de los paı́ses y en México en parti-
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F IGURA 3. Consumo mundial de energı́a en 2010, 12,789.3 Mrep.
Las Renovables incluyen hidráulica, eólica, solar, geotermia, residuos y biomasa.
F IGURA 4. Estructura de la producción de energı́a primaria en
México (2011) [5]. Total: 9,190.76 PJ, todos los porcentajes son
con respecto al total de la producción de energı́a primaria.
cular, no se habı́a dado debido a varios factores, entre ellos a
dos: al precio/costo relativamente elevado de las tecnologı́as
y a la ausencia, de polı́ticas de estado que las promueva y
las incentive. Durante décadas, la introducción de estas tecnologı́as en el paı́s se dejó totalmente a los precios de competencia del libre mercado mundial. Esto está cambiando,
por ejemplo, en el 2008 se publica en México, la Ley para
el Aprovechamiento de Energı́as Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética (LAER-FTE). Se puede
decir, que varias de estas tecnologı́as como la termosolar para calentamiento de agua de uso doméstico o la eólica, son
totalmente competitivas en términos comerciales, y otras lo
serán en el futuro cercano.
En un ejercicio responsable de planificación energética
del paı́s donde se decidirán que tecnologı́as deberán impulsarse o implementarse, se deben tomar en consideración puntos como: i) la seguridad en el suministro energético, ii) las
reservas energéticas con las que se cuenta, iii) los precios [p.
ej. el precio del Mtep ($/Mtep) o el precio del kilowatt instalado ($/kW)] y los costos [p. ej. el costo en centavos del
kilowatt-hora producido (c$/kWh) de las tecnologı́as y iv) la
minimización del impacto ambiental del uso de los sistemas
energéticos.
La Figura 5 presenta un escenario posible para la transformación del sistema mundial de energı́a que satisface algunas
de las condiciones de planificación del párrafo anterior y que
fue elaborado a partir del cumplimiento de las nuevas polı́ticas energéticas que consideran una economı́a baja en carbón
para la protección del medio ambiente [5]. El gráfico de la izquierda muestra la historia de las contribuciones porcentuales
de cada fuente primaria de energı́a desde 1970 hasta el 2030.
Se ve que la tendencia del petróleo, a largo plazo, es de disminuir su cuota en el mercado internacional, mientras que el gas
sigue aumentando. El reciente aumento de la contribución del
carbón a la cuota de mercado pronto comenzará a revertirse,
con una tendencia a la baja evidente en el 2020. La taza a la
que las energı́as renovables están creciendo y penetrando los
mercados mundiales de la energı́a tiene una marcada similitud con la aparición de la energı́a nuclear en los años 1970’s
y 1980’s.
El gráfico de la derecha de la figura 5 muestra las contribuciones para satisfacer, por fuente primaria, el crecimiento
de la demanda mundial de energı́a. Es notable observar que
el crecimiento del consumo mundial de energı́a es satisfecho
cada vez más por combustibles no fósiles; las energı́as renovables, la energı́a nuclear y la hidroeléctrica en conjunto
representan el 34 % del crecimiento. Esta contribución agregada no fósil es, por primera vez, más grande que la contribución de cualquier combustibles fósiles por si solo. Para los
próximos 20 años, en este escenario que se considera plausible, las energı́as renovables por su cuenta contribuyen más al
crecimiento mundial de la energı́a que el petróleo. La mayor
contribución de combustible proviene del gas, que alcanza el
31 % del crecimiento previsto de la energı́a global.
4.
Energı́as Renovables
La energı́a geotérmica en México es la más utilizada de todas las energı́as renovables, excluyendo a la gran hidráulica.
México ocupa el cuarto lugar a nivel mundial en aprovechamiento de esta fuente energética. La capacidad instalada para
generación de potencia eléctrica es de 953 megawatts eléctricos (MWe). Se tienen identificados más de 300 sitios termales
con el potencial de instalar otros 11,940 MWe. Esto representa casi el 20 % de la capacidad instalada en todo el paı́s en el
año 2010 que era de 60,795 MWe. Este potencial se considera mucho mayor por los yacimientos geotérmicos de roca
seca caliente que pueden existir en México y cuya tecnologı́a
de aprovechamiento está en desarrollo.
La energı́a eólica en México ha tenido un desarrollo muy
importante en años recientes. Aunque todavı́a es limitado. En
el 2011 se tenı́an instalados y operando 519 MWe y 717 MWe
adicionales están en construcción. Se espera que para el 2014
se alcancen más de 5,000 MWe [5] cuando entren en operación todos los proyectos en desarrollo. El gobierno mexicano
ha estimado el potencial eólico del paı́s en los 71,000 MWe,
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TRANSICIÓN ENERGÉTICA, ENERGÍAS RENOVABLES Y ENERGÍA SOLAR DE POTENCIA
TABLA I. Consumo final total de energı́a (petajoules) 2011 [5]
2010
Consumo final total
4,874.13
2011
4,994.82
Variación
Estructura
porcentual ( %)
porcentual ( %)
2011/2010
2011
2.48
100
Consumo no energético total
264.24
259.11
-1.94
5.19
Petroquı́mica de Pemex
168.90
161.60
-4.32
3.24
Otras ramas
95.34
97.51
2.28
1.95
Consumo energético total
4,609.89
4,735.71
2.73
94.81
Transporte
2,245.25
2,283.98
1.73
45.73
Industrial
1,298.08
1,363.42
5.03
27.30
Recidencial, comercial y público
921.25
928.25
0.76
18.58
Agropecuario
145.32
160.06
10.14
3.20
Fuente: Sistema de Información Energética, Sener.
F IGURA 5. (Izquierda) Contribución porcentual a la cuota de la energı́a primaria mundial. (Derecha) Aportación de cada fuente primaria al
crecimiento de la demanda energética [6].
el cual considero muy elevado. Como se puede ver, si las
tendencias siguen igual, esta tecnologı́a pronto rebasará a la
geotérmica.
La bioenergı́a es otra fuente renovable de energı́a muy
abundante en el paı́s. Representa el 5 % de la oferta interna
de energı́a primaria en México, esto es, 344 PJ/año de los
7,367 PJ/año en el año 2008. Se estima que se tiene un potencial sustentable de 3,000 PJ/año que equivaldrı́a al 62 %
de la energı́a final demanda debida a los sectores de consumo
final energético en el año 2008 que fue de 4,814 PJ [5].
La capacidad hidroeléctrica instalada en México es de
10,707 MWe, pero existe todavı́a un potencial muy importante 38,700 MWe de gran hidro que podrı́a ser aprovechado. Al mismo tiempo, se estima que se podrı́an aprovecharse
hasta 3,250 MWe con plantas mini y micro hidráulicas en el
paı́s [6].
En México no existen centrales eléctricas que utilicen la
energı́a de los océanos y tampoco existen proyectos de desarrollo de ningún tipo de estas centrales. De hecho, el uso
de la energı́a del mar no está muy extendido, en la actualidad, sólo algunos paı́ses del mundo como Francia cuentan
con este tipo de tecnologı́a. Aunque el potencial del uso de
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la energı́a oceánica para producción de energı́a eléctrica no
esta todavı́a evaluado, se estima que podrı́a ser superior a las
anteriores.
5.
Energı́a Solar
Los recursos energéticos renovables, como ya se comentó en
la sección 1 son afortunadamente muy abundantes en el planeta. Solo como un ejemplo de la abundancia de las fuentes de ER, baste decir que la energı́a solar recibida cada 10
dı́as sobre la Tierra equivale a todas las reservas conocidas
de petróleo, carbón y gas. La figura 6, muestra la distribución
de energı́a solar incidente en la Tierra dada en términos de
la insolación diaria promedio anual medida en kilowatt-hora
por m2 (kWh/m2) por año. Los paralelos 40◦ N y 35◦ S definen la llamada ”Franja Solar o Cinturón Solar”que tiene la
peculiaridad de albergar al 70 % de la población mundial y
recibir la mayor cantidad de energı́a solar del planeta. Como
se observa en la figura, México queda dentro de esta franja y
su potencial de aprovechamiento de energı́a solar es uno de
los más altos del mundo. Alrededor de tres cuartas partes del
territorio nacional son zonas con una insolación media del orden de los 5 kWh/m2 al dı́a, el doble del promedio en EUA.
Particularmente la zona del noroeste del paı́s (los estados de
Chihuahua, Sonora y Baja California) posee el recurso solar
más abundante con insolaciones que rebasan los 6 kWh/m2
al dı́a.
¿Como se aprovecha la energı́a solar? Empecemos diciendo que la energı́a solar es energı́a electromagnética emitida por nuestra estrella más cercana: el Sol, que al interaccionar con la materia dicha energı́a es transformada en otras
formas de energı́a. Existen varios mecanismos naturales que
transforman a la energı́a solar en otras formas de energı́a útil
para el ser humano. Entre esos mecanismos se encuentran los
fı́sicos, los quı́micos y los biológicos. A continuación se presentarán las principales tecnologı́as que aprovechan estos mecanismos para satisfacer necesidades energéticas humanas.
6.
Tecnologı́as Fotovoltaicas
De las tecnologı́as solares, la fotovoltaica es en la actualidad
la que tiene el más rápido crecimiento a nivel mundial. Esta
tecnologı́a está basada en las celdas solares. Como se sabe, la
forma más común de las celdas solares se basa en el efecto
fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo
semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz
de conducir una corriente a través de un circuito externo de
modo de producir trabajo útil.
Como se mencionó anteriormente, la industria de los paneles fotovoltaicos está creciendo muy rápidamente; los sistemas fotovoltaicos integrados a la red eléctrica son los que
mayor crecimiento han tenido. En los últimos años, en particular, los europeos son los que han instalado más sistemas
F IGURA 6. Distribución de la energı́as solar en el mundo,
kWh/m2 /año [10].
fotovoltaicos en su región. Esto es debido fundamentalmente
a las polı́ticas energéticas de la Unión Europea. Por otro lado,
la fabricación mundial de paneles fotovoltaicos en el 2005 fue
dominada por los japoneses con el 46 % y fue seguido por los
europeos con un 28 %.
La capacidad instalada en México de sistemas fotovoltaicos es de solo 8 millones de watts-pico (MWp) (2011).
Esta cantidad es muy pequeña comparado con lo que ocurre
en otros paı́ses como España que tiene 4,338 MWp (2011)
o Alemania que es de 17,370 MW. La capacidad instalada
fotovoltaica en el 2010 alcanzó los 40,000 MWp. Los mercados futuros de las celdas solares dependerán estrechamente
del desarrollo de la tecnologı́a, en donde los esfuerzos de investigación se centran en una combinación de aumentar la
eficiencia y bajar los costo de producción.
7.
Tecnologı́as de Calentadores Solares Agua
Otra tecnologı́a solar que esta muy desarrollada y cuenta con
una industria ampliamente establecida a nivel mundial y que
también se encuentra en rápido crecimiento es la de los captadores solares para el calentamiento de agua para uso doméstico. Existen varios diseños de captadores solares: los planos,
los de tubos evacuados, los de concentración solar. En todos
ellos la energı́a solar es captada en una superficie absorbente
que transfiere el calor a un fluido, tı́picamente agua.
A finales de 2010, la capacidad de colectores solares
térmicos en operación en todo el mundo era igual 195.8
gigawatt-térmico (GWt), correspondiente a 279,7 millones
metros cuadrados. A finales del 2011 se estima que habrá crecido en un 25 %, a 245 GWt (Weiss y Mauthner, 2012) . De
esta cantidad, el 88.3 % corresponde a colectores solares de
placa plana (FPC) y de tubos al vacı́o (ETC), el 11 % corresponde a colectores sin cubierta de vidrio y solo el 0.7 % a colectores solares para calentamiento de aire con y sin cubierta
de vidrios. [7].
La figura 7 muestra la capacidad total instalada de colectores solares para calentamiento de agua en funcionamiento
en los 10 paı́ses lı́deres a finales de 2010. La gran mayorı́a de
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TRANSICIÓN ENERGÉTICA, ENERGÍAS RENOVABLES Y ENERGÍA SOLAR DE POTENCIA
9.
F IGURA 7. Capacidad total instalada de colectores solares para calentamiento de agua en funcionamiento en los 10 paı́ses lı́deres a
finales de 2010.
las colectores solares para agua con y sin cubierta de vidrio
en funcionamiento están instalados en China (117.6 GWt),
en Europa (36.0 GWt), y en Estados Unidos y Canadá (16.0
GWt, la mayorı́a son colectores no cubiertos de vidrio); en
conjunto representan el 86.6 % del total instalado a nivel
mundial [7].
En México [8], en el año 2010, se instalaron sistemas
de captadores solares para calentamiento de agua en un área
equivalente de 272,580 m2 , llegando a un acumulado de
1,665,502 m2 .
8.
Calentamiento Solar para Procesos Industriales
Un área relativamente nueva de aplicación de la energı́a solar
se da en los sectores comerciales e industriales. El sector industrial tiene uno de los consumos energéticos más elevados
en el mundo; en México corresponde al 26.3 % del consumo final total de energı́a. El uso de la energı́a solar en este
sector es limitado a nivel mundial, pero tiene un gran potencial de desarrollo. Los principales requerimientos de energı́a
para los procesos comerciales o industriales ocurren a temperaturas por debajo de los 250 ◦ C. Hay muchas aplicaciones
para procesos en el sector industrial que requieren energı́a a
temperaturas inferiores a los 80 ◦ C que pueden ser fácilmente alcanzables con la tecnologı́a comercial de los captadores
solares planos o tubos evacuados que se encuentran ya en el
mercado. Para aquellas aplicaciones que necesitan temperaturas superiores a los 80 ◦ C y hasta los 250 ◦ C, se necesita desarrollar tanto los captadores solares de alta eficiencia
como concentradores solares con sus diversas componentes
para integrar sistemas. Entre esas aplicaciones se encuentran
los sistemas para enfriamiento o refrigeración. Actualmente
hay 90 plantas termosolares para calor de proceso industrial
reportadas en el mundo, con una capacidad instalada de cerca
de los 25 megawatts-térmicos (MWt) (35,000 m2 ). El potencial es mucho mayor. Sólo en los paı́ses de la Unión Europea
(EU25), se estima que el potencial es de 100 a 125 GWt [9].
En México esta tecnologı́a es totalmente incipiente.
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Potencia Eléctrica Termosolar
Finalmente, presentaremos las tecnologı́as termosolares para
la generación de electricidad. De todas las tecnologı́as solares, estas tienen un potencial de desarrollo muy elevado, de
hecho en los últimos años han tenido un rápido crecimiento.
Estas tecnologı́as están basadas en sistemas ópticos de concentración solar.
Las plantas de potencia de concentración solar (PPCS)
producen potencia eléctrica transformando la energı́a solar
en energı́a térmica a alta temperatura. Esta energı́a térmica es
transferida al bloque de potencia para producir electricidad.
Las plantas de potencia de concentración solar pueden ser
dimensionadas para generar electricidad para poblados pequeños (10 kWe) o para aplicaciones conectadas a la red (hasta 100 MWe o más). Algunos sistemas usan almacenamiento
térmico para perı́odos de nublados o para usarse en la noche. Otras plantas pueden combinarse con sistemas que operan con gas natural y las plantas hibridas resultantes ofrecen
potencia despachable de alto valor. Estos atributos, junto con
el record mundial de eficiencia de conversión solar-eléctrica (30 % de eficiencia), hacen que estas tecnologı́as sean una
opción muy atractiva en zonas del planeta dentro del cinturón
solar con una alta insolación, como las que existen en el noroeste del paı́s.
Existen cuatro tecnologı́as que están siendo promovidas
internacionalmente. Cada una de ellas puede variar en diseños o en configuración. La cantidad de potencia generada por una PPCS depende de la cantidad de radiación solar directa que incide sobre ella. Estas tecnologı́as usan fundamentalmente radiación solar directa. La figura 8 muestra
fotografı́as de las cuatro arquitecturas que existen: cilindroparabólicos, Fresnel-lineal, disco-Stirling y de receptor central.
El ejemplo más emblemático de las PPCS es sin lugar
a dudas el constituido por el complejo de potencia termosolar ubicado en Kramer Junction en California, los llamados
SEGS (Solar Energy Generating Systems). Este complejo esta constituido por 9 plantas que utilizan concentradores del
tipo cilindro-parabólicos, y que en su conjunto ocupa una superficie de 2.5 millones de m2 de concentradores solares. Los
9 SEGS de diferentes capacidades suman en total 354 MWe.
Este complejo termosolar se construyó entre los años de 1986
y 1991. La experiencia en la operación de los SEGS en California arroja 100 años equivalentes de operación comercial
demostrando tener las más altas eficiencias solares y produciendo la electricidad solar más barata con una alta disponibilidad de planta. Estas plantas fueron diseñadas como plantas
hı́bridas a gas con un 75 % solar y un 25 % de gas. La figura
9 muestra dos fotografı́as del complejo termosolar.
En los últimos años, y después de un largo periodo, de
aproximadamente 15 años de no construir nuevas PPCS, se
están construyendo a un ritmo acelerado, diferentes plantas
en todo el mundo. El incremento es sorprendente y se puede
afirmar que hay más de 10,000 MWe en operación, construcción o desarrollo.
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F IGURA 8. Plantas de potencia de concentración solar, cuatro arquitecturas: a) Cilindro-parabólico, b) Fresnel-lineal, c) Plato-Stirling y d)
Receptor Central.
F IGURA 9. Vista aérea del complejo termosolar de Kramer Junction en California, EUA.
Como ejemplo de estas nuevas plantas se presenta a la
PPCS Gemasolar ubicada en San Lucar La Mayor en Sevilla,
España. Esta es una planta de 19.9 MWe con arquitectura de
receptor central y es la primera planta comercial en el mundo
que aplica la tecnologı́a de receptor de torre central y almacenamiento térmico en sales fundidas. La producción eléctrica neta es de 110 gigawatts-hora por año (GWh/año) y tiene
un campo solar con 2,650 heliostatos en 185 hectáreas. El
sistema de almacenamiento térmico de la planta consiste de
un tanque de almacenamiento de sales calientes que permite
una autonomı́a de generación eléctrica de hasta 15 horas sin
aporte solar. La figura 10 muestra dos fotografı́as de la planta
solar de torre central Gemasolar en operación. Foto: Torresol
Energy.
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TRANSICIÓN ENERGÉTICA, ENERGÍAS RENOVABLES Y ENERGÍA SOLAR DE POTENCIA
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F IGURA 10. Fotografı́as de la planta solar de torre central la planta solar de torre central Gemasolar en operación. Foto: Torresol Energy.
y un campo de 15 helióstatos, cada uno de 36 m2 y con razón
de concentración de 25. Actualmente se lleva a cabo en el
CPH el desarrollo y prueba de prototipos de helióstatos de
fabricación nacional, que son una de las componentes claves de la tecnologı́a de torre solar. En la segunda etapa del
proyecto LACYQS que ha iniciado este año, el CPH se transformará en una Planta Experimental de Torre Central, que
contará con 82 helióstatos, para alcanzar una potencia total
de 2 MW térmicos, con un nivel de concentración de 900.
Se desarrollará también un receptor térmico y sus componentes auxiliares, que permitirán llevar a cabo investigación
sobre generación eléctrica [10], ver figura 11. Se espera que
esta instalación permita impulsar el desarrollo de una industria nacional de PPCS.
F IGURA 11. Torre y helióstatos en el Campo de Prueba de Helióstatos en Hermosillo Sonora, 2011.
11. Conclusiones
10. Investigación y desarrollo en México en
PPCS
Son varios los grupos en México que están trabajando en investigación y desarrollo de tecnologı́as solares. Solo como un
ejemplo de los esfuerzos que se están haciendo, en particular para impulsar las tecnologı́as de generación de potencia
termosolar, se menciona el Campo de Pruebas de Helióstato (CPH), recientemente inaugurado (Octubre, 2011) en Hermosillo, Sonora. El CPH se desarrolló como uno de los subproyectos del proyecto denominado “Laboratorio Nacional
de Sistemas de Concentración y Quı́mica Solar” (LACYQS),
financiado por el CONACYT, la UNAM y la UNISON y cuya institución responsable es el Centro de Investigación en
Energı́a de la UNAM. El objetivo general de dicho proyecto
es dotar a México de instalaciones de primer nivel para llevar
a cabo investigación y desarrollo tecnológico en las tecnologı́as de concentración solar, ası́ como ayudar a consolidar
las redes de investigación y la formación de recursos humanos en el área. El CPH es una instalación de tecnologı́a de
torre solar, única en Latinoamérica, que cuenta con una torre
de 33 m de altura un laboratorio y cuarto de control anexos,
A manera de conclusión se presentan las siguientes ideas:
La época de petróleo barato ha terminado y se espera
un mix energético mundial para los próximos 20 años.
La demanda energética mundial está en continuo
aumento a un ritmo de crecimiento anual del 2.47 %.
En el mundo se ha iniciado ya un perı́odo de transición energética. Varios paı́ses están implementando
polı́ticas que les permite ir cambiando su actual sistema energético a uno sustentable.
Las ER están creciendo, pero necesitan apoyo a largo
plazo para asegurar su competitividad.
Las energı́as renovables pueden cubrir el 50 % de la
demanda energética mundial a mediados del presente
siglo.
México, como otros paı́s de América, requiere un cambio de paradigma energético, que permita entrar de lleno a la transición energética.
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Las ER son la solución al problema energético de
México, centroamerica y el caribe y de su desarrollo
sustentable.
Para garantizar el desarrollo sustentable de los paı́ses,
los estados nacionales debe comprometerse con una visión a largo plazo del aprovechamiento de las ER.
La penetración masiva de las ER precisa también de
una serie de hitos tecnológicos que permitan acelerar
todo el proceso.
Es necesario multiplicar el esfuerzo de apoyo públi-
1. Balance Nacional de Energı́a. SENER 2012.
2. National Petroleum Council, 2007 after Craig, Cunningham
and Saigo.
3. Panoráma Energético de México. Reflexiones Académicas Independientes. Consejo Consultivo de Ciencias, Coordinador
Jorge Flores, 2011.
co a la investigación-desarrollo-innovación-educación
(I+D+i+E).
Las ER son una gran oportunidad para la innovación,
el desarrollo cientı́fico, tecnológico, económico y social de México, centroamerica y el caribe.
Dadas las condiciones actuales del desarrollo de las
tecnologı́as de ER y en particular de la solar en el mundo, existe todavı́a una gran oportunidad para que México ingrese a la competencia mundial por el desarrollo
de las ER.
8. http://www.snitt.org.mx/pdfs/bioenergeticos/Perspectivas
Bioenergia Mexico.pdf.
9. http://elmer.unido.org/fileadmin/user media/unido. org
Spanish/Regional Office Uruguay/uruguay/presentaciones
/06 Hector Valdez - Minihidraulica Mexico.pdf
10. www.oksolar.com/abctech/world solar radiation.pdf.
5. Balance Nacional de Energı́a 2011. SENER.
11. Weiss, Werner and Franz Mauthner (2012), Solar Heat Worldwide – Markets and Contributions to the Energy Supply 2010,
Solar Heating and Cooling Programme, AEE INTEC, Gleisdorf, Austria.
6. BP Energy Outlook 2030. Londres, Enero 2011.
12. Asociación Nacional de Energı́a Solar. (www.anes.org 2011).
7. http://amdee.org/Proyectos/Proyectos %20 Elicos %20en %20
Mexico %202011.pdf
13. Doug McClenahan, 2007. IEA Solar Heating & Cooling Programme 2007, www.iea-shc.org.
4. Reporte del Estatus de Energı́as Renovables, REN 21 2012
(www.ren21.net)
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