Articulo Energias Renovables

7/25/2019 Articulo Energias Renovables

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Coordinacin de Publicaciones Digitales. Direccin General de Cmputo y de

Tecnologas de Informacin y Comunicacin-UNAMSe autoriza la reproduccin total o parcial de este artculo, siempre y cuando se cite la fuente completa y su direccin electrnica.

Revista Digital Universitaria

01 de st 2010 Vlumen 11 Nme 8 ISSN: 1067-6079

LaS ENErgaS rENoVabLES: LaENERGA SOLAR Y SUS APLICACIONES

Cludi a. Estd gsc y Cmil a. ancii bulnes

Centro de Investigacin en Energa, Universidad Nacional Autnoma deMxico.

Este artculo esta basado en uno elaborado para el Consejo Consultivo deCiencias de la Presidencia de la Republica que saldr publicado en formaimpresa, por ese organismo, en febrero del 2011. Se presenta para su pub-licacin en la RDU siempre y cuando se mencione el credito parcial para elCCC.


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Coordinacin de Publicaciones Digitales. Direccin General de Cmputo y deTecnologas de Informacin y Comunicacin-UNAM

Se autoriza la reproduccin total o parcial de este artculo, siempre y cuando se cite la fuente completa y su direccin electrnica.

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Las energas renovables: la energa solar y sus aplicaciones

Resumen

El objetivo de este trabajo es reexionar sobre el problema actual de la energa en el mundoy en Mxico y considerar a las energas renovables (ER), en particular a la solar como unaalternativa para enfrentar el agotamiento de los yacimientos de combustibles fsiles y garantizarla conservacin del medio ambiente permitiendo acceder a un desarrollo sustentable. En elartculo se plantea el problema de la energa en el mundo y en Mxico, los mercados de las ER,la estructura energtica mundial y en Mxico, las inversiones en ciencia y tecnologa en ER, los

escenarios futuros de la energa y las tecnologas de energa solar y sus aplicaciones.

Palabras clave: Energa en el mundo, energa renovable, energa solar, tecnologa fotovoltaica,

tecnologa fototrmica.

El problema de la energa

La energa es una de las problemticas que denirn el destino de Mxico y el mundo en elsiglo que comienza. Lo que hagamos o dejemos de hacer a partir de ahora determinar nuestracapacidad para satisfacer los requerimientos energticos del pas, en el futuro.

Como se sabe las fuentes primarias de energa que dominan en el mundo son los hidrocarburosy en la actualidad corresponden al 80.8% de toda la energa primaria producida y consumida. EnMxico, la dependencia es mayor, en el ao 2007, el 92% de la produccin de energa primaria

correspondi a combustibles fsiles, (67% petrleo, 23% gas y 2% carbn) [1].

Los pases emergentes (China, India, Brasil, Mxico) y los pases menos desarrolladosnecesitan para su desarrollo tener acceso pleno a las fuentes de energa modernas, entendidasestas como electricidad y carburantes. De ahque la demanda energtica mundial est encontinuo aumento a un ritmo de crecimientoanual del 2%. A medida que crece la poblaciny las economas, millones de personas entodo el mundo disfrutan de los benecios deun estilo de vida que requiere cantidades deenerga cada vez mayores. Segn la AIE, en suescenario de referencia, la demanda mundial depetrleo evolucionar de 84 millones de barriles

al da en 2005 a 116 millones de barriles diariosen 2030, es decir se incrementar un 38% msen ese periodo. Lo cual es un reto colosal entrminos de inversiones, en particular en uncontexto de declinacin de las reservas y lasplataformas de produccin de petrleo.

Cuando tocar techo la produccin mundial?Algunos sugieren hacia el 2012, otros ms el2020 y algunos otros el 2050. A partir de ese


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Ls Enes renvles: l Ene Sl y sus apliccines

http://www.evist.unm.mx/vl.11/num10/t96/index.html

momento la produccin disminuir. Cualesquiera que sea la fecha, para los expertos petrolerosdel mundo es claro que este recurso est declinando rpidamente en relacin a la escala temporalhumana. Lo ms probable es que mucho antes que se alcance este lmite, que eventualmentepuede ser extendido por los avances tecnolgicos, el juego de la oferta y la demanda petrolera ysu impacto en la evolucin de los precios del petrleo constituirn los factores determinantes dela era del petrleo.

Adicionalmente, ya es un lugar comn decir que la produccin de gases de efecto invernadero,principalmente el bixido de carbono debido al uso intensivo de los hidrocarburos, son losprecursores del incremento de la temperatura media global y consecuentemente del llamadocambi climtico, con todas las consecuencias para los seres humanos que ello implica.

Por todo lo anterior, es urgente una utilizacin ms racional de la energa y la sustitucin de loscombustibles fsiles por otros tipos de energa.

Ante esta situacin energtica mundial y nacional, Mxico requiere un cambio de paradigmaenergtico. Es inevitable preguntarse con cules fuentes energticas se pueden enfrentar elagotamiento de los yacimientos de combustibles fsiles que permitan la conservacin del medioambiente para un desarrollo sustentable?

Para comprender mejor el reto energtico de las futuras generaciones consideremos que la brechaenergtica que se generar debido a los hidrocarburos es enorme. Efectivamente: en el ao2008, la energa total que se consumi correspondi a la produccin continua de una capacidadinstalada mundial equivalente a 15 TW1, y se estima que para el ao 2050 se requerirn tener 30TW. Esto es, en solo 42 aos deberemos de duplicar la actual capacidad de generar energa parasatisfacer la demanda creciente de la misma.

Volvemos a preguntarnos existen las fuentes energticas que puedan satisfacer esta necesidad?La tabla 1 muestra el potencial aproximado de las energas renovables en el mundo. Las fuentesrenovables de energa (FRE) son aquellas que por su cantidad en relacin a los consumos quelos seres humanos pueden hacer de ellas son inagotables y su propio consumo no afecta elmedio ambiente. Ellas son la energa solar, la elica, la biomasa, la geotrmica, las mini, micros

y pequeas centrales hidroelctricas y la ocenica. En la tabla destacan las energas provenientede la biomasa, el viento y el sol con 5, 4 y 60 TW tcnicamente factibles y solo 1.4, 0.121 y 0.0135TW de capacidad instalada al 2008 respectivamente.

Todos los potenciales tcnicamente factibles de las fuentes renovables de energa sumanaproximadamente 70 TW. Con estas condiciones, es claro que las energas renovables podransatisfacer la demanda y que la nica fuente energtica que por si sola podra con todo elrequerimiento de 15 TW es la solar [2].

La respuesta a la pregunta antes formulada es afortunadamente positiva. Creemos que el usoracional y eciente de las actuales fuentes energticas y las energas alternativas: energasrenovables (ER) y energa nuclear, son la solucin al problema energtico planteado.

Tabla 1. Potencial aproximado de las energas renovables en el mundo


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Mercado mundial de las ER

Las tecnologas que aprovechas a las fuentes renovables de energa, en diversos estados dedesarrollo, han estado presentes en la historia de los seres humanos desde siempre. Sin embargo,con el advenimiento de la revolucin industrial, cuya pieza fundamental fue la maquina de vapordesarrollado por James Watt en 1774 y que requera para su funcionamiento un combustible dealta densidad energtica como el carbn, las energas renovables empezaron a ser sustituidaspor los hidrocarburos. En las ltimas dcadas y debido a las crisis petroleras, la investigacin ydesarrollo de las tecnologas que aprovechan a las FRE se ha intensicado al punto de generartecnologas actualmente en estado comercial. Pero ms an, estos mercados han tenido en los

ltimos aos un crecimiento realmente explosivo.

Se pueden mencionar entre los factores que han permitido el desarrollo actual de los mercadosde las FRE a los siguientes:

El alza de los precios de los hidrocarburos que lleg a 139 USD en Junio del 2008 y quepodran llegar a los 150 dlares por barril o ms en los aos venideros.

El mercado mundial de emisiones de CO2 que esta en 13 USD la tonelada de CO2 y enel futuro podra llegar hacia los 40 o 60 dlares la tonelada.

Las polticas voluntarias de los varios estados (Unin Europea y sus miembros, EstadosUnidos, China, India, Brasil) + iniciativas locales que crean incentivos especiales parausar tecnologas de FRE.

El progreso acelerado que han tenido las tecnologas de energas renovables.

La denicin de metas de consumo de ER por 73 pases/estados/provincias.

Es claro que estas polticas han ejercido una inuencia fundamental en el crecimiento delos mercados actuales de las energas renovables. En el ao pasado, la inversin anual enenergas renovables se increment cuatro veces, llegando a alcanzar los 120,000 millonesde USD. En los cuatro aos anteriores, de diciembre del 2004 a diciembre del 2008, lacapacidad instalada para generar energa solar fotovoltaica se increment seis veces a msde 16 Gigawatts (GW), la capacidad de generacin eoloelctrica aument 250% llegando a


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121 GW, y la capacidad total de generacin de potencia elctrica de todas la nuevas energasrenovables creci 75% hasta alcanzar los 280 GW instalados. Este nmero incluye losaumentos signicativos de las pequeas centrales hidroelctricas, geotrmicas, y la generacinelctrica con biomasa. Durante el mismo perodo de cuatro aos, la capacidad instalada decalentamiento solar se duplic llegando a los 145 Gigawatts-trmicos (GWth), mientras quela produccin de biodiesel se sextuplic hasta llegar a 12,000 millones de litros por ao y la

produccin de etanol se duplic a 67,000 millones de litros por ao [3]. En tabla 2 se presentanalgunos indicadores del impresionante crecimiento de los mercados de las FRE y en la gura1 se presenta la inversin anual mundial en ER (1995-2007) y el dato del 2008. Como sepuede ver en la grca, la mayor parte de la inversin en los ltimos aos ha sido en sistemaseoloelctricos, seguidos por los fotovoltaicos. Todo indica que la tendencia seguir en aumento.

Tabla 2. Indicadores seleccionados sobre el desarrollo de las ER en el Mundo

Fuente: REN21. 2009. Renewables Global Status Report: 2009 Update (Paris: REN21 Secretariat).


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Figura 1. Inversin mundial anual en ER (1995-2007).

La tabla 3 muestra la capacidad existente de la energas renovables en el Mundo en el ao2008 y la que se incremento en el mismo ao [3]. Con relacin a la generacin de potenciaelctrica, la potencia total instalada de energas renovables, sin considerar a la gran hidrulica,

fue de 281.8 GW, con incremento en el ao de 42.86 GW, esto es, un 18% de aumento. Enparticular, es notable ver como, la de viento (121 GW) ocupa el segundo lugar despus de lagran hidrulica (860 GW) y que el aumento en la capacidad instalada fueron similares paraambas tecnologas, pero con incremento para los aerogeneradores del 29% comparado conel 3.6% que tuvo la gran hidrulica. Tambin es notable mostrar que la potencia fotovoltaicase increment en el 2008 en un 71% y la potencia solar con sistemas de concentracin (CSP)aument en un 13.6%. Con relacin a calentamiento de agua y espacios es notable ver elcrecimiento de los captadores solares que tuvieron un incremento del 15.1% en solo un ao.Con relacin a los biocombustibles para el transporte el incremento fue de 34% fue notable.

Todos estos porcentajes muestran que los mercados mundiales de las energas renovables

estn creciendo aceleradamente. Sin embargo, y a pesar de este crecimiento, el uso de lasFRE sigue siendo pequeo comparado con el uso de los hidrocarburos. En la prxima seccinse muestra la estructura actual de la energa total y de la produccin de electricidad en el

mundo y en Mxico y las contribuciones de las ER.


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Tabla 3. Capacidad incrementada y existente de energas renovables en el Mundo en el ao 2008, [3].

Estructura Energtica en el mundo y en Mxico

La gura 2 muestra los consumos de energa mundiales en el ao 2008, [1]. Eltotal de consumo de energa que corresponde a los hidrocarburos es del 80.8%,indicando que son estos el motor del mundo industrializado. A las energasrenovables les corresponde un 12.7%, sin embargo las renovables tradicionales,y aqu se habla principalmente de lea y de la gran hidrulica sumadas dan el12.1%, dejando solo para las nuevas energas renovables el 0.6%. Estas ltimasincluyen a la geotermia, al viento, a la solar y la ocenica.

En la gura 3 se presenta la produccin mundial de electricidad a partir de lasdiferentes fuentes energticas para el ao 2008. La capacidad instalada mundiales de 4,700 GW de los cuales dos terceras partes corresponden a sistemasque operan con hidrocarburos. En el ao 2008 se generaron 19,771 TWh delos cuales el 66.6% correspondi a hidrocarburos, 14.7% a nuclear, 15% a granhidrulica y solo el 3.7 correspondi a las nuevas energas renovables (solar/viento/geotermia/ micro hidrulica/ocenica/biomasa).


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Figura 2. Consumo mundial de energa en 2008.

Solar/ wind/

ocean/

geothermal/

minihydro

2.4%

Large Hydro

15.0%

Nuclear

14.7%

Biomass/ liquid

fuel/ Waste

1.3%

Fossil fuels

66.6%

Figura 3. Produccin Mundial de Potencia Elctrica en 2008.

La gura 4 muestra la estructura de la produccin de energa primaria en Mxicopara el ao 2007, que correspondi a un total de 10,523 petajoules (2,923 TWh).La dependencia del pas de los hidrocarburos es de 92%, mayor al promediomundial. La contribucin de las nuevas energas renovables excluyendo a la granhidrulica y a la biomasa convencional (lea) es pequea, un poco arriba del 1%,debindose fundamentalmente a la geotermia, [5].


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Petrleo

Crudo

67%

Gas Natural

23%

Energa Elica

0.02%

Nucleoenerga

1%

Hidroenerga

3%

Carbn

2%

Biomasa

3%

Geoenerga

1%

Figura 4. Estructura de la produccin de energa primaria en Mxico (2007), (10,523 petajoules), [5].

La gura 5 muestra informacin registrada en el ao 2008 sobre la capacidad instalada parala generacin de energa elctrica por tecnologa de generacin en Mxico. Esta capacidadfue de 49,930 MWe, [4]. En el grco se muestra que el 73% corresponde a generacin conhidrocarburos, el 22% a gran hidrulica, 3% a nuclear y el resto 2.2% a la generacin de nuevasenergas renovables (geotermia y elica), [5]. Las diferencias se deben a errores e redondeo.Claramente, como en la produccin primaria de energa, la contribucin para la generacin deelectricidad con nuevas fuentes renovables de energa es limitada comparada con otros pasessimilares a Mxico.

En que se consume parte de le energa que se produce en Mxico sumada a la que seimporta? La tabla 4 presenta el consumo nal total de energa en el pas en los aos 2007 y2008 y su comparativo. Del consumo energtico total, en 2008, aproximadamente el 18% sefue al sector residencial, comercial y pblico; el $48% al sector transporte; el 26% al industrialy solo el 3% al sector agropecuario. Es claro que el sector que ms energticos consume,fundamentalmente combustibles es el del transporte. En el 2008 hubo un incremento delconsumo de energa total de 5.7 comparado con el ao anterior, siendo el consumo en el sectortransporte el que ms aumento.

Las tecnologas actuales que aprovechan a las FRE pueden ser utilizadas masivamenteen estos sectores. Sin embargo, su penetracin en la mayora de los pases y en Mxicoen particular, no se ha dado debido a varios factores, entre ellos a dos: al precio/costorelativamente elevado de las tecnologas y a la ausencia, hasta hace poco, de polticas de

estado que las promueva y las incentive.


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Hidroelctrica

22%

Dual

4%

Nucleoelctrica

3%

Turbogas

4%

Ciclo Combinado

35%Eoloelctrica

0.2%Combustin

Interna

0.4%Vapor25%

Geotermoelctric

a

2%

Carboelctrico

5%

Figura 5. Capacidad instalada de generacin elctrica por tecnologa en el 2008: 49, 930 MWe, CFE.

Tabla 4. Consumo nal total de energa (petajoules) 2008, [5].

Durante dcadas, la introduccin de estas tecnologas en el pas se dejo totalmente a los preciosde competencia del libre mercado mundial. Pero, actualmente son competitivas las tecnologas

de ER?


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Inversiones en I+D+i en ER y precios de las ER

Para contestar la pregunta del prrafo anterior, hay que empezar diciendo que en los ltimos 25aos ha habido un esfuerzo considerable de investigacin cientca y tecnolgica para reducirlos costos de estas tecnologas. La gura 6 muestra la historia de la inversin pblica de variospases en investigacin y desarrollo de tecnologas que aprovechan las FRE para el perodo

1974-2001. Es interesante ver que debido a la crisis energtica de 1973, las inversiones en I+Dse incrementaron a valores histricos en el rublo de las energas renovables, alcanzando los16,000 millones de USD (constantes del 2003). Los Estados Unidos fue el pas que ms invirtien los primeros aos, seguido por los pases de la Unin Europea y Japn. En aos posteriores,y debido al decremento de la inversin de Estados Unidos y de la Unin Europea, los japonesesocupan el primer lugar, incluso ellos han seguido incrementando sus montos de inversin.Despus de que se estabiliz el suministro de petrleo, la inversin bajo un poco arriba de los8,000 millones de dlares. Actualmente, el gasto gubernamental global en I+D+i va hacia arriba.

Figura 6. Inversin pblica en investigacin y desarrollo de varios pases o grupos de pases.

En la gura 7 se muestra la inversin pblica en investigacin y desarrollo por tecnologasrenovables para el perodo 1974-2002. Es interesante ver el comportamiento del gasto portecnologa. As por ejemplo, las tecnologas fotovoltaicas al igual que las de biomasa, han tenidoun gasto ms o menos constante desde los aos 80s en adelante. En cambio, las tecnologasde calentamiento y enfriamiento solar tuvieron un apoyo importante entre 1977 y 1982, despusse redujo signicativamente. Algo similar paso con las tecnologas termo-solares de potencia y la

geotermia.


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Figura 7. Inversin pblica en investigacin y desarrollo por rublos de tecnologas renovables

para el perodo 1974-2002.

Los costos de produccin de las diferentes tecnologas de ER son reducidos por factores comoel escalamiento de la tecnologa, la produccin en serie, los mercados, y la investigacin, eldesarrollo y la innovacin. La gura 8 muestra como en un lapso de 20 aos la I+D+i puedereducir hasta un 60% el costo de las tecnologas; en tanto que el escalamiento, la produccin enserie y los mercados pueden reducir los costos hasta un 40%.

Lo anterior ha tenido un impacto notable en la reduccin de los costos de las diferentes tecnologasde energas renovables. Como ejemplo, se presenta la gura 9 que muestra la evolucin de loscostos nivelados de produccin de electricidad, de las tecnologas de viento, solar fotovoltaica,solar fototrmica de potencia, geotermia y biomasa para etanol, desde el ao 1980 hasta el ao2005 y despus su proyeccin al ao 2025. En todos los casos se ve una disminucin considerable

de los costos nivelados, tendiendo a un lmite que parece constante en 2025.

Ahora contestemos a la pregunta de si son competitivas o no las tecnologas deER? Se puede decir que gracias al esfuerzo de estos ltimos 25 aos en I+D+i y a laimplementacin de polticas pblicas visionarias adecuadas para la promocin y


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Figura 8. Impacto de la innovacin en la reduccin de costos.

Figura 9. Evolucin de los costos de las energas renovables: Costos nivelados de energa en USD

constantes del 2005. Las grcas son reejo de las tendencias histricas de los costos, no de los

datos histricos anuales precisos, [6].


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utilizacin de las ER en algunos pases, se ha logrado reducir los costos de estas tecnologas alpunto de hacerlas competitivas en los mercados energticos internacionales. Se espera que en elfuturo cercano se incremente sustancialmente dicha competitividad. La Tabla 5 presenta los costosestimados para nuevas plantas de generacin de electricidad. Aparecen las tecnologas fsiles,nucleares y renovables. La tecnologa con costo de capital mas barata es la de combustin enturbinas de gas, seguidas por las de ciclo combinado con gas y al ltimo esta la solar fotovoltaica.

Ntese que la elica esta a la mitad de la nuclear y por debajo de la de carbn pulverizado,aunque su factor de planta es 3 veces menor.

Tabla 5. Costos estimados para nuevas plantas de generacin de electricidad (en USD del 2003).

La tabla 6 presenta los costos nivelados de produccin de electricidad por kWh generado con USDdel 2003. Se observa que la tecnologa ms barata, a los costos actuales de los hidrocarburos esla de ciclo combinado. Sin embargo, la elica, la minihidroelctrica y la biomasa de gasicacinson competitivas con las de hidrocarburos y nuclear. La termosolar de potencia es competitiva enmercados minoristas y la solar fotovoltaica empieza ha serlo.

Para que en los mercados elctricos, cuyos costos hemos presentado, se extienda el uso de lasFRE, se requiere que estas den garanta de despacho y se adapten a las curvas de demanda.

Eso les dar un valor agregado en el mix energtico que vendr. Las energas renovables debenusarse ecientemente. Asimismo, la capacidad de hibridacin, de almacenamiento de energa yde produccin de combustibles renovables deben ser las herramientas que le den valor agregado

a las nuevas tecnologas. Cada pas deber adaptarse a sus propios recursos naturales.


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Tabla 6. Costo nivelado de produccin de electricidad por kWh generado.

En un ejercicio responsable de planicacin energtica del pas donde se decidirn que tecnologas

debern impulsarse o implementarse, se deben tomar en consideracin puntos como: i) laseguridad en el suministro energtico, ii) las reservas energticas con las que se cuenta, iii) losprecios ($/Mtoe, $/Kw) y los costos (c$/kWh) de las tecnologas y iv) la minimizacin del impactoambiental del uso de los sistemas energticos.

La gura 10 presenta un escenario para la transformacin sustentable del sistema mundial deenerga que satisface las condiciones de planicacin del prrafo anterior, [8]. Este escenarioparticular supone un crecimiento muy pronunciado de la economa mundial. En l se hizo lasuposicin de un incremento signicativo en la eciencia energtica y sin embargo el pronsticopara el 2050, resulta en una demanda de energa aproximadamente del triple de la actual. Asmismo, como se puede ver en la gura, en este escenario, al nal del siglo, el suministro de energaestar sustentado principalmente en fuentes

renovables de energa. En la construccinde dicho escenario tambin se supuso elsecuestro geolgico de CO

2y se encontr que

las concentraciones de CO2 en la atmosfera

no seran mayores a 450 ppm. Esto conduce aque el calentamiento global probablemente noexceda los 2 oC.

Con todo lo dicho hasta ahora, la pregunta queviene es Cul es el estado actual que guardanlas tecnologas de energas renovables quepueden hacer posible el futuro presentado

en la gura 10?. Debido a que son varias lastecnologas de energas renovables, el espaciodel presente escrito no alcanzara a presentarlastodas. Por ello, solo se presentar el caso msemblemtico de las energas renovables: la

energa solar.


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Figura 10. Escenario para la transformacin sustentable del sistema de energa mundial [8].

Tecnologas del aprovechamiento de la energa solar

Los recursos energticos renovables, como ya se coment en la seccin 1 son afortunadamentemuy abundantes en el planeta. Solo como un ejemplo de la abundancia de las fuentes de ER,baste decir que la energa solar recibida cada 10 das sobre la Tierra equivale a todas las reservas

conocidas de petrleo, carbn y gas. La gura 11, muestra la distribucin de energa solarincidente en la Tierra dada en trminos de la insolacin diaria promedio anual medida en kWh porm2por ao. Los paralelos 40oN y 35oS denen la llamada Franja Solar que tiene la peculiaridadde albergar al 70% de la poblacin mundial y recibir la mayor cantidad de energa solar delplaneta. Como se observa en la gura, Mxico queda dentro de esta franja y su potencial deaprovechamiento de energa solar es uno de los ms altos del mundo. Alrededor de tres cuartaspartes del territorio nacional son zonas con una insolacin media del orden de los 5 KWh/m 2alda, el doble del promedio en EUA. Particularmente la zona del noroeste del pas (los estados deChihuahua, Sonora y Baja California) posee el recurso solar ms abundante con insolaciones que

llegan a los 6 KWh/m2al da.

Cmo se aprovecha la energa solar? Empecemos diciendo que la energa solar es energa

electromagntica emitida por nuestra estrella ms cercana: el Sol, que al interaccionar con lamateria dicha energa es transformada en otras formas de energa. Existen varios mecanismosnaturales que transforman a la energa solar en alguna otra forma de energa til para elser humano. Entre esos mecanismos se encuentran los fsicos, los qumicos y los biolgicos.Por razones de espacio, a continuacin se presentarn solo algunas de las tecnologas queaprovechan estos mecanismos para satisfacer necesidades energticas humanas y que hoy en

da son comerciales.


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Figura 11. Distribucin de la energas solar en el mundo, kWh / m2/ ao [ ].

Tecnologas fotovoltaicas

De las tecnologas solares, la fotovoltaica es en la actualidad la que tiene el ms rpido crecimiento.Esta tecnologa esta basada en las celdas solares. Como se sabe, la forma ms comn de lasceldas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivosemiconductor de dos capas produce una diferencia del foto-voltaje o del potencial entre lascapas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a travs de un circuito externo de modode producir trabajo til.

Como se menciona en la seccin 2, la industria de los paneles fotovoltaicos esta creciendomuy rpidamente; la potencia fotovoltaica se increment el ao pasado en un 71%. La gura 12muestra el desarrollo de la potencia global acumulada de sistemas PV instalados por regionesdel mundo. Se observa claramente el crecimiento exponencial del acumulado. Adems, en losltimos aos, los europeos son los que han instalado ms sistemas PV en su regin. Esto esdebido fundamentalmente a las polticas energticas de la Unin Europea. Por otro lado, la gura13 muestra la fabricacin mundial de paneles fotovoltaicos por pases, en el 2005. Ese ao los

japoneses fueron los que dominaron el mercado con el 46% seguido por los europeos con un

28%.


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Figura 12. Desarrollo de la potencia global acumulada de sistemas PV por regiones del mundo

[9].

Figura 13. Fabricacin mundial de paneles fotovoltaicos, en el 2005. Total al ao: 1,815.7 MWp

(ASIF)

Los mercados futuros de las celdas solares dependern estrechamente del desarrollo de latecnologa, en donde los esfuerzos de investigacin se centran en una combinacin de ecienciay costo de produccin. La gura 13 muestra la evolucin del precio del modulo fotovoltaico comofuncin de la produccin acumulada desde 1976 hasta el 2003, y construye escenarios futuros

hasta el 2023para la tecnologa convencional de las celdas de silicio, para la tecnologa emergente


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de pelculas delgadas y para nuevas tecnologas que an no conocemos.

Figura 13.Precio del modulo fotovoltaico como funcin de la produccin acumulada, [10].

Tecnologas de calentadores solares agua

Otra tecnologa solar que esta muy desarrollada y cuenta con una industria ampliamente establecidaa nivel mundial y que tambin se encuentra en rpido crecimiento es la de los captadores solarespara el calentamiento de agua para uso domstico. Existen varios diseos de captadores solar:los planos, los de tubos evacuados, los de concentracin solar. En todos ellos la energa solar escaptada en una supercie absorbente que transere el calor a un uido, tpicamente agua.

La gura 14 muestra el mercado mundial de captadores solares planos cubiertos de vidrio consu produccin anual medida por MWth para el perodo de 1982 a 2005 para diferentes paseso grupos de pases. En el ao 2005 se alcanzaron en todo el mundo aproximadamente los 13GWth. Se observa que los europeos y particularmente los chinos han venido incrementandosu produccin ao con ao, aunque el caso chino es realmente sorprendente: los mercados

internacionales estn saturados con sus productos.


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Global market - Glazed collectors [MWth]

Source: ESIF; IEA SHC

0

5 000

10 000

15 000

85 90 95 00 05

Others

China"EU-25"

IL+TR

USA+AU+JP

Figura 14. Mercado mundial de captadores solares planos cubiertos de vidrio.

Para darse cuenta de la importancia del mercado de los captadores solares, la gura 15presenta la capacidad acumulada y la energa generada anual para varias energas renovables.La contribucin de esta tecnologa a las necesidades de energa es por mucho mayor que laelectricidad solar (fotovoltaica y fototrmica), aunque slo ligeramente mayor que la geotrmica y

mucho menor que la de viento, a pesar de su gran capacidad instalada.

Figura 15.Capacidad acumulada y energa generada anual [11].


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Potencia elctrica termosolar

Finalmente, presentaremos las tecnologas termosolares para la generacin deelectricidad. De todas las tecnologas solares, estas tienen un potencial de desarrollomuy elevado, de hecho en los ltimos aos han tenido un rpido crecimiento. Estastecnologas estn basadas en sistemas pticos de concentracin solar.

Las plantas de potencia de concentracin solar (PPCS) producen potencia elctricatransformando la energa solar en energa trmica a alta temperatura. Esta energatrmica es transferida al bloque de potencia para producir electricidad. As, las PPCSconsisten de dos partes: una donde se colecta la energa solar (los concentradores) y seconvierte en calor (el receptor), y otra que convierte el calor en electricidad (bloque depotencia).

Las plantas de potencia de concentracin solar pueden ser dimensionadas para generarelectricidad para poblados pequeos (10 kWe) o para aplicaciones conectadas a la red(hasta 100 MWe o ms). Algunos sistemas usan almacenamiento trmico para perodos de

nublados o para usarse en la noche. Otras plantas pueden combinarse con sistemas queoperan con gas natural y las plantas hibridas resultantes ofrecen potencia despachablede alto valor. Estos atributos, junto con el record mundial de eciencia de conversinsolar-elctrica (30% de eciencia), hacen que estas tecnologas sean una opcin muyatractiva en zonas del planeta dentro del cinturn solar con una alta insolacin, como lasque existen en el noroeste del pas.

Existen cuatro tecnologas que estn siendo promovidas internacionalmente. Cada unade ellas puede variar en diseos o en conguracin. La cantidad de potencia generadapor una PPCS depende de la cantidad de radiacin solar directa que incide sobre ella.Estas tecnologas usan fundamentalmente radiacin solar directa. La gura 16 muestralas conguraciones de cilindro-parablicos y de Fresnel-lineal, ambos son conguracionesde foco lineal. La gura 17 muestra las conguraciones de disco-Stirling y de Receptorcentral, estas son conguraciones pticas de foco puntual. La gura 18 muestra fotografasde estos sistemas

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Figura 16. Arquitecturas para los sistemas de concentracin solar en PPCS: Cilindro-parablico y

Fresnel-lineal.


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Figura 17. Arquitecturas para los sistemas de concentracin solar en PPCS: Disco-Stirling y

Receptor Central.

Figura 18. Plantas de potencia de concentracin solar, cuatro arquitecturas: a) Cilindro-parablico,

b) Plato-Stirling, c) Receptor Central.


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En los ltimos aos, y despus de un largo periodo, de aproximadamente 15 aos de noconstruir nuevas PPCS, se estn construyendo a un ritmo acelerado, diferentes plantas entodo el mundo. El incremento es sorprendente y se puede armar que hay ms de 6,400MWe en construccin. Las tablas 7 y 8 listan algunas de estas plantas; las diseadascomo plantas hbrida-solar-fsil y las diseadas solo solar.

Tabla 7. Algunos Proyectos de PPCS hbridas solar-fsil en desarrollo.

Tabla 8. Algunos proyectos de PPCS solo solar

Como ejemplo de estas nuevas plantas se presenta a la PPCS PS10 ubicada en San Lucar LaMayor en Sevilla, Espaa, gura 19. Esta es una planta de 11 MWe con arquitectura de receptorcentral y es la primera planta comercial en su tipo que entr en operacin en el 2008. En estaplanta se utiliza el vapor sobresaturado producido en el receptor central como uido de trabajo.El factor de capacidad de la planta es limitado. Ahora esta en construccin la PS20 con unapotencia de 20 MWe. La gura 20 muestra una fotografa de la planta solar de torre central PS10en operacin (frente) y la planta PS20 en construccin (al fondo). Foto: Abengoa Solar.


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Figura 19. Diagrama de la planta de potencia de concentracin solar de San Lucar La mayor en

Sevilla, Espaa.

Figura 20. Planta solar de torre central PS10 en operacin (frente) y planta PS20 en construccin

(al fondo). Foto: Abengoa Solar.

Conclusiones

Podemos decir que Mxico ha estado haciendo algunos esfuerzos para desarrollar y promovera las ER. Sin lugar a dudas, la tecnologa de FRE que ms se ha impulsado es la tecnologageotrmica. Se tienen instalados en la actualidad 953 MWe con un desarrollo de 30 aos. Estonos ubica en el cuarto lugar mundial del uso de este recurso renovable. Se tiene un programa

de desarrollo de plantas elicas que actualmente suman 83 MWe en construccin. Se tiene en


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proyecto construir un sistema solar de 25 MWe dentro de un complejo termoelctrico de 950MWe Ciclo Combinado en el estado de Sonora. Sobre bioenerga se ha aprobado una ley porel congreso y se tienen una iniciativa de produccin masiva de etanol para alcanzar 7 mil 840barriles al nal del 2012. Ms recientemente y debido a la reforma energtica habr fondos parainvestigacin y desarrollo. Dada la magnitud del problema de la energa en el mundo y en el pas,todas esas acciones, las considero limitadas, ms aun cuando tenemos una abundancia del

recurso renovable, particularmente el solar.

Podemos concluir que:

Mxico requiere de un cambio de paradigma energtico. Los hidrocarburos en Mxico se1.acabarn en las prximas dcadas. La infraestructura energtica actual del pas nos hacealtamente dependientes del extranjero por tecnologa y por importacin de combustibles.El uso de hidrocarburos genera gases de efecto invernadero que contribuyen al cambioclimtico.

Las energas renovables (ER) pueden ser la solucin al problema energtico de Mxico2.y de su desarrollo sustentable. Las ER son un recurso muy abundante en el pas quepueden contribuir a satisfacer la demanda energtica de manera sustentable tanto de

las ciudades como del campo. Las tecnologas de ER son limpias y su uso masivogarantizaran la disminucin de los GEI. Para el 2015 el pas puede tener un 10% desu oferta energtica primaria y 18% de su oferta elctrica con ER y para 2025, 20% dela oferta energtica y 38% de la oferta elctrica seran las metas para las ER. El pascuenta con los recursos humanos capaces de generar investigacin y desarrollo paraapropiarse las tecnologas de ER y promover una industria nacional. Ello implicara la

creacin de algunos cientos de miles de nuevos empleos.

Para garantizar el desarrollo sustentable del pas el estado mexicano debe comprometerse3.con una visin a largo plazo del aprovechamiento de las ER en Mxico. Se deberngenerar las polticas, los marcos legales, los incentivos econmicos y los fondos denanciamiento para el desarrollo masivo de las ER en el pas. En el caso del sector

elctrico es indispensable un rgimen especial basado en tarifas garantizadas paraalentar la generacin distribuida con ER. Se tiene que desarrollar un plan nacionalestratgico a corto, mediano y largo plazo, para el aprovechamiento integral de las ERen Mxico. Se considera que deberemos crear una Comisin Nacional de ER (CNER),un Instituto Nacional de ER (INER) y una red nacional de centros de investigacinregionales en ER.

Dadas las condiciones actuales del desarrollo de las tecnologas renovables y en4.particular de la solar en el mundo, existe todava una gran oportunidad para que Mxico

ingrese a la competencia mundial por el desarrollo de la ER.


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Referencias

IEA, 2008. Renewables Information 2008.1.

F. de Winter and R.B. Swenson, 2006. A wake-up call. Solar Today, March/April 2006.2.

Renewables Global Status Report: 2009 Update (Paris: REN21 Secretariat). REN21,3.

2009.CFE, 2009. www.cfe.gob.mx4.

Balance Nacional de Energa 2008. SENER5.

http://www.iea.org/rdd/eng6.

NREL. Energy Analysis Ofce,7. 2005 (www.nrel.gov/analysis/docs/cost_curves 2005.ppt).

World in Transition Towards Sustainable Energy Systems, Earthscan, London, ISBN8.1-85383-882-9, http://www.wbgu.de/wbgu_jg2003_engl.pdf.

2013 Global market outlook for photovoltaics until 2013, EPIA.9.

T. Surek, Crystal Growth and Materials Research in Photovoltaics, J. Crystal Growth10.

275, 292 (2005).Weiss, Werner, Irene Bergmann and Gerhard Faninger (2006), Solar Heat Worldwide.11.IEA Solar Heating and Cooling Programme.
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