armando llamas terres pedro ponce cruz ricardo fernández · de esta fuente alterna es el...
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Nuevas tecnologías energéticas
Armando Llamas TerresPedro Ponce Cruz
Ricardo Fernández
11
11.1.1 DefiniciónAplicación de nuevas formas de conversión de la energía empleando recur-sos naturales renovables para sustituir recursos tradicionales no renovables (combustibles fósiles), entre estas formas de energía se encuentran:
Solar (fotovoltaico y térmico)• Eólica• Biomasa• Celdas de combustible (hidrógeno)•
11.1.1.1 Energía eólicaLa energía eólica tuvo un desarrollo significativo alrededor de 1950 con apli-caciones muy sencillas como son sistemas de bombeo o para cargar pe-queñas baterías. En los años setenta se inició con la generación de energía eléctrica para suministro de las demandas de bajo voltaje, pero la explosión tecnología permitió el empleo de este recurso como una posibilidad rentable de generación para bajo, mediano y alto voltaje.
México sin lugar a dudas presenta un enorme potencial para la ge-neración de energía eólica. Tenemos un fuerte recurso de vientos en va-rias zonas de la república Mexicana, como se ha demostrado en Oaxaca donde se cumplen de manera formidable las condiciones necesarias
11.1 Descripción
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156LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS
CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Figura 11.1 Mapa Eólico de Oaxaca
Fuente: National Renewable Energy Laboratory
para la generación Eolo-eléctrica. Dichas condiciones se muestran en la siguiente figura.
El desarrollo de los sistemas eólicos debe ir a la par con la demanda energética que presenta un crecimiento día con día. Asimismo, existen oportunidades de diseño e innovación en los aerogeneradores para hacerlos más eficientes, más capaces, más silenciosos, más baratos, etc. Lo anterior abre un gran número de líneas de investigación que permiten el desarrollo de esta oportunidad energética que muestra un gran potencial al explotarse de manera apropiada y que a su vez tiene la gran bondad de ser totalmente inocua al ecosistema.
11.1.1.2 Biomasa.El hombre ha utilizado la biomasa de diferentes maneras, la más antigua es generando calor mediante la quema de madera (combustión directa). Sin embargo la biomasa se refiera a toda la materia orgánica que puede provenir de árboles, plantas, desechos de animales, de la agricultura y urbanos.
La tecnología para el desarrollo de los bio combustibles ha avanzado a pasos agi-gantados ya que ha probado ser eficiente y limpia, atrayendo así grandes capitales de inversión y un gran interés en su investigación y desarrollo. Los procesos que dan pie a esta tecnología se pueden dividir en combustión directa, termo-químicos y bioquímicos.
Uno de los grandes componentes de este recurso alterno es el uso de combustibles sintetizados a partir de materia orgánica. Ejemplos de estos son el Bioetanol, del cual se producen actualmente 45 millones de litros en México pero que aún no tienen uso en el
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157LAS MEGATENDENCIAS TECNOLÓGICAS ACTUALES Y SU IMPACTO EN LA IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES ESTRATÉGICAS DE NEGOCIOS
CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
transporte ni la generación eléctrica, sino en la industria química. Otro gran participante de esta fuente alterna es el biodiesel, combustible que se procesa a partir de grasas ani-males o vegetales, obteniendo así propiedades muy nobles y un bajo costo. Este último ha sido desarrollado como un proyecto conjunto del Tecnológico de Monterrey y Grupo Energético S.A.
Existen otro tipo de proyectos que utilizan la biomasa de desecho para genera ener-gía, tales como “Bioenergía Nuevo León S.A.” que utiliza biogás extraído de un relleno sanitario para generar energía eléctrica en un orden de 7 MegaWatts.
11.1.1.3 SolarLa energía solar se ha utilizado de distintas formas desde el principio de la civilización, siendo su principal uso el de calentar agua y algunos objetos. Albert Einstein recibió el premio Nobel de física en 1921 por la contribución a la mecánica cuántica donde habló del efecto fotoeléctrico. Este se basa en la energía que tiene la onda electromagnética (luz). la cual al estar en contacto con ciertos materiales (Si, Se, Ga, As) genera una dife-rencia de potencial al orientar sus átomos en cierta dirección.
La ubicación global de México (entre el Ecuador y el Trópico de Cáncer) hace de este un país con un enorme potencial para el aprovechamiento de la energía solar. Esta energía puede ser utilizada tanto de manera térmica como para la generación eléctrica mediante el efecto foto-voltaico. A pesar de que la eficiencia en el aprovechamiento de la energía solar es actualmente baja (25% aprox), se ha calculado que podemos tener una generación de 6000 GigaWatts-hora por año según experimentos que se han llevado a cabo en el norte del país. La siguiente figura muestra un mapa de insolación en territorio Mexicano.
Figura 11.2 Mapa de insolación en México
Fuente: National Renewable Energy Laboratory
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Gráfica 11.1 Estado de la producción mundial de energía eléctrica por fuente.1
1) Keyword energy statistics 2005. International Energy Agency.
Una de las aplicaciones experimentales de la energía solar para generar electricidad ha sido una torre solar de enfriamiento que genera hasta 200 MW; se pueden usar tam-bién máquinas térmicas tales como el motor Stirling que podría llevar energía eléctrica a donde no llega la red nacional. Sin embargo, es en la práctica donde las aplicaciones solares realmente sorprenden, como la instalación de calentadores de agua solares que utilizan la energía térmica del sol para proveer a las familias de agua caliente para cocinar o para su higiene personal. Se utilizan también paneles foto-voltaicos para generación de energía eléctrica en pequeña escala en comunidades donde es muy difícil acercar el tendido eléctrico o cualquier lugar donde se quiera aprovechar este recurso renovable.
La evolución y desarrollo tecnológico son la base de nuestra megatendencia, esta ha propiciado cambios en la tecnología, cambiando la manera de generar electricidad y creando una economía de energía alternativa.
11.1.2 DetonadoresMéxico se encuentra en un momento de decisión, las estimaciones de reservas probadas de petróleo ascienden solamente a poco más de 9 años, por lo tanto se deben tomar acciones para lograr cubrir la demanda de energía, generándola de otra manera.
A nivel mundial, como se aprecia en la figura 11.2, se está haciendo uso masivo de los combustibles fósiles para la generación eléctrica que, entre otras acciones, ha traído como consecuencia un aumento en los índices de contaminación provocando un incre-mento en las emisiones de co2, provocando el calentamiento global.
Otras 0.5%
Hidroeléctrtico 2.2%
Nuclear 6.5%
Gas natural 21.2%
Petroleo 21.2%
Carbon 24.4%
Combustibles renobables y desperdicios 10.8%
Carbon 24.4%
Petroleo 21.2%
Gas natural 21.2%
Fuente: Elaboración propia.
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Fuente: Elaboración propia.
En México las situación no es diferente ya que de acuerdo con la Secretaría de Ener-gía un 75% de la energía eléctrica que se consume en México se genera mediante la que-ma de combustibles fósiles. Sin embargo se cuenta con un gran potencial para producir energía eléctrica aprovechando los recursos renovables, como se muestra en la tabla 1.
Altos niveles de insolación Zonas con alta intensidad de vientos
Potenciales de uso de biomasa.
5 kWh/m2-día en promedio 2,900 mw datos por cfe 1,000 mw en biomasa cañera
Tabla 11.1 Potencial Energético en México
11.1.3 Comportamientos tecnológicosEl precio y la demanda incremental de la energía eléctrica, aunados a una conciencia ambiental han dado lugar al desarrollo de energías alternas para la producción de elec-tricidad. Estas tecnologías buscan una generación más eficiente, sin repercusiones al medio ambiente y que minimice el impacto a la salud mundial. En base a esto se han desarrollado nuevos métodos de generación y distintos protocolos (El Protocolo de Kyo-to, por ejemplo) que buscan aprovechar al máximo los recursos naturales.
11.2 Temas de investigación
Temas de investigación asociados:
En ingeniería de materiales: Silicio Monocristalino y Polímeros Conjugados
Desarrollo de nuevas tecnologías en celdas de combustible
Electrónica de Potencia
Uso del hidrógeno en transporte
Almacenamiento de hidrógeno como auxiliar en la generación eléctrica
Conversión de biomasa (biodiesel y etanol)
Turbinas de velocidad variable
Ciclos solares de mayor potencia
Tabla 11.2 Temas de investigación
Fuente: Elaboración propia.
11.3 Tecnologías existentes
Dentro de las tecnologías existentes relacionadas con la megatendencia se encuentran:
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Tabla 11.3 Tecnologías existentes
Ácido fosfórico
Adecuación de unidades rectificadoras
Aerogeneradores
Aleaciones de metales
Anemómetros
Bombas de calor geotérmicas
Cálculos del abrigo del viento
Captores de calor subterráneo
Procesos termodinámicos (Ciclos Brayton, Ciclos Rankine, Ciclos Stirling y Ciclos combinados)
Cilindros de hormigón
Colectores solares
Combustibles alcohólicos
Conductos para distribución de aire
Controladores híbridos
Convección natural y forzada
Conversiones fotovoltaicas
Digestión anaeróbica
Diseños aerodinámicos y de generadores asíncronos
Dispositivos electrónicos
Turbinas: de Kaplan de eje horizontal y reversibles, hidráulicas verticales y de diferentes capacidades.
Sistemas eólicos, solares térmicos y fotovoltaicos, y termodinámicos
Intercambiadores geotérmicos (vertical y horizontal)
Enriquecimiento de uranio
Fluidos alternos al vapor de agua
Generación híbrida con ciclos eólicos
Ingeniería hidráulica y mecánica
Inversores matriciales
Licuefacción de hidrógeno
Captura de co2
Ósmosis inversa
Evaluaciones físicas ( de rugosidad, del cizallamiento, del efecto de la estela y del efecto del parque)
Paneles solares
Rellenos sanitarios
Supercondensadores
Transesterificación
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Fuente: Elaboración propia.
Transformadores
Turbogeneradores
Electrónica de potencia y semiconductores
Electrólisis solar
Ingeniería de fluidos, y de materiales fotosensibles
Sistemas de telecontrol y de control autónomo
Tecnologías de ensamble, de refrigeración, electrolíticas y de construcción
Instalación de pequeños rotores unidos a un mismo generado
11.4 Tecnologías emergentes
Dentro de las tecnologías emergentes se identificaron:
Tabla 11.4 Tecnologías emergentes
Técnicas de pwm
Tecnologías fototérmicas y termonucleares
Vapor seco
Puntos cuánticos
Polímeros sólidos y conjugados
Plasma
Plantaciones energéticas
Óxidos sólidos
Materiales (compuestos y fotosensibles)
Membranas de intercambio protónico
Modulación de vectores espaciales (spwm)
Nanotubos de carbono
Materiales celulosos
Manejo de polímeros
Empleo de igbts
Carbonatos fundidos
Generación de hidrógeno
Fuente: Elaboración propia.
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Tabla 11.5 Energía eólica
Tabla 11.6 Energía solar
Fuente: Elaboración propia.
11.5.1 Lista de productos y serviciosAlgunos de los productos y servicios generados por la Megatendencia el las áreas de energía eólica, energía solar, baterías y celdas de combustible, biocombustibles, hidró-geno, energía nuclear, energía geotérmica, energía hidráulica, energía del mar, y energía termoeléctrica, son:
Energía eólica
Turbinas eólicas de eje vertical, velocidad variable y de diferentes capacidades
Servicios de adecuación de capacidad de turbina según punto de distribución
Micro-turbinas de vientos
Aerogeneradores y aeromotores
Desalinizadores eólicos
Diseño de turbinas (aspas, torre, sistema de frenado, tren de engranes)
Generadores eólicos controlados por inteligencia artificial
Sistemas eólicos híbridos
Aerogeneradores para mar adentro
Parques eólicos
Energía solar
Materiales fotosensibles
Celdas fotovoltaicas libres de silicio y de combustible regenerativas
Sistemas híbridos de celdas fotovoltaicas
Turbinas de alto rendimiento
Generadores pequeños para sistemas parabólicos
Máquinas de mayor potencia
Seguimiento del sol
Gases de trabajo
Paneles solares
Bombeo fotovoltaico
Calentadores de agua para uso doméstico o industrial
Inversores
Torres autoportantes y retenidas de energía solar
11.5 Productos y servicios
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Fuente: Elaboración propia.
Energía solar
Fluidos secos (como el tolueno)
Albercas solares
Colectores solares de mayor nivel de absorción
Fluidos alternos al vapor de agua
Inversores matriciales
Células solares semiconductoras
Estufas solares
Aparatos de calefacción y refrigeración
Lámparas de alumbrado público con paneles solares
Tabla 11.7 Baterías y celdas de combustible
Tabla 11.8 Biocombustibles
Tabla 11.9 Hidrógeno
Baterías y celdas de combustible
Baterías de alta densidad
Súper-baterías
Fuente: Elaboración propia.
Fuente: Elaboración propia.
Fuente: Elaboración propia.
Biocombustibles
Celdas de combustible de metanol directo (dmfc)
Biodiesel, bioetanol y biogas•
Biodigestores anaeróbicos Metanol•
Hidrógeno
Celdas y contenedores para transporte de energía
Producción de hidrógeno
Celdas de combustible
Tabla 11.10 Energía nuclear
Fuente: Elaboración propia.
Energía nuclear
Fisión nuclear
Fusión nuclear
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Tabla 11.11 Energía geotérmica
Tabla 11.12 Energía hidráulica
Tabla 11.13 Energía del mar
Tabla 11.14 Energía termoeléctrica
Tabla 11.15 Taxonomía
Fuente: Elaboración propia.
Fuente: Elaboración propia.
Fuente: Elaboración propia.
Fuente: Elaboración propia.
Energía geotérmica
Desalinizadores geotérmicos
Plantas de generación eléctrica
Sistemas de calefacción de piscinas
Energía hidráulica
Mini-hidráulicas
Mini-turbinas de baja potencia para venta masiva
Energía del mar
Convertidores noruegos de Kvaerner
Convertidores dentro del mar y de energía térmica-oceánica
Centrales maremotrices
Columnas de agua oscilatorias
Energía termoeléctrica
Turbinas de ciclo combinado
11.6 Taxonomía
Áreas de aplicación
Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios
Energía eólica Turbinas y generadores
Ingeniería mecánica
Turbinas eólicas de eje verticalDiseño de generador asíncrono
Diseño aerodinámico
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Áreas de aplicación
Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios
Energía eólica
Turbinas y generadores
Ingeniería mecánicaTurbinas eólicas de velocidad variableTecnología de refrigeración
Diseño aerodinámico
Tecnología de ensambleTurbinas eólicas de diferentes capacidadesTecnología de refrigeración
Diseño aerodinámico
Instalación de pequeños rotores unidos a un mismo generador Micro-turbinas de vientosDiseño aerodinámico
Ingeniería mecánicaDiseño de turbinas (aspas, torre, sistema de frenado, tren de engranes)
Ingeniería de materiales
Diseño aerodinámico
Sistemas híbridos de generación
Turbinas de diferentes capacidades
Sistemas eólicos híbridos
Controladores híbridos
Adecuación de unidades rectificadoras
Inversores matriciales
Tecnología de ensamble
Diseño y eficiencia
Evaluación de rugosidad
Servicios de adecuación de capacidad de turbina según punto de distribución
Evaluación del cizallamiento
Cálculo del abrigo del viento
Evaluación del efecto de la estela
Evaluación del efecto del parque
Electrónica de potencia y semiconductores
Electrónica de potencia y semiconductores
Parques eólicosSistema de telecontrol
Dispositivos electrónicos
Transformador
Anemómetro
Ingeniería mecánicaAerogeneradores
Diseño aerodinámico
Ingeniería mecánica Aeromotores
Ingeniería mecánica Aerogeneradores para mar adentroDiseño aerodinámico
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Áreas de aplicación
Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios
Energía eólica
Electrónica de potencia y semiconductores
Tecnología de ensambleGeneradores eólicos controlados por inteligencia artificial
Diseño aerodinámico
Sistemas de control autónomo
Sistema eólico Desalinizadores eólicos
Energía solar
Conversión fotovoltaicaMateriales fotosensiblesIngeniería de materiales
fotosensibles
Convección naturalTorres autoportantes y retenidas de energía solarConvección forzada
Colectores solares
Materiales fotosensibles
Celdas fotovoltaicas libres de silicio
Polímeros conjugados
Puntos cuánticos
Ingeniería de materiales fotosensibles
Electrólisis solar Celdas de combustible regenerativasPaneles solares
Modulación de vector espacial (spwm) Inversores
Generación híbrida con ciclos eólicos
Sistemas híbridos de celdas fotovoltaicas
Generación de hidrógeno
Sistemas solares térmicos y fotovoltaicos
Conversión fotovoltaica
Ingeniería de materiales fotosensibles
Ciclo rankine Turbinas de alto rendimiento
Ciclo rankine Fluidos secos (como el tolueno)Vapor seco
Ciclo rankine
Albercas solaresColectores solares
Tecnologías fototérmicas
Ciclo Stirling Máquinas de mayor potencia
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Áreas de aplicación
Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios
Energía solar
Electrónica de potencia y semiconductores
Ciclo StirlingSeguimiento del solIngeniería de materiales
fotosensibles
Ciclo StirlingGases de trabajo
Generadores pequeños para sistemas parabólicos
Ingeniería de fluidos Fluidos alternos al vapor de agua
Empleo de igbt’sInversores matriciales
Técnicas de pwm
Equipo e instalaciones
Tecnologías fototérmicas Colectores solares de mayor nivel de absorciónCiclo Brayton
Ingeniería de materiales fotosensibles Células solares
semiconductorasSistemas fotovoltaicos
Colectores solares Paneles solares
Colectores solaresEstufas solares
Tecnologías fototérmicas
Sistemas fotovoltaicos Bombeo fotovoltaico
Colectores solares Calentadores de agua para uso doméstico o industrialTecnologías fototérmicas
Sistemas fotovoltaicosLámparas de alumbrado público con paneles solares
Sistemas solares térmicos y fotovoltaicos Aparatos de calefacción/
refrigeraciónTecnologías fototérmicas
Baterías y celdas de combustible Fuentes de energía portátil
Supercondensadores Super-baterías
Nanotubos de carbono Baterías de alta densidad
Biocombustibles
Construcción y diseño Tecnologías de construcción Biodigestores anaeróbicos
Procesos químicos
Combustibles alcohólicos
MetanolMateriales celulosos
Plantaciones energéticas
Transesterificación
Manejo de polímeros Celdas de combustible de metanol directo (dmfc)Electrólisis
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Áreas de aplicación
Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios
Biocombustibles
Procesos químicos
Rellenos sanitariosBiogas
Digestión anaeróbica
Utilización de grasas animales
BiodieselMateriales celulosos
Plantaciones energéticas
Transesterificación
Combustibles alcohólicos
BioetanolMateriales celulosos
Plantaciones energéticas
Transesterificación
Hidrógeno
Polímeros sólidos
Celdas de combustible
Óxidos sólidos
Ácido fosfórico
Membranas de intercambio protónico
Carbonatos fundidos
Obtención a partir de metanol
Producción de hidrógeno
Obtención por electrólisis
Obtención por captura de c02
Ingeniería de materialesCombustible cerámico compuesto
Materiales compuestos
Criogénica Licuefacción de hidrógeno Celdas y contenedores para transporte de energía
Energía nuclear
Reactores nuclearesEnriquecimiento de uranio Fisión nuclear
Tecnología termonuclear
Fusión nuclearGases Plasma
Ingeniería de materiales Aleaciones de metales
Energía geotérmica
Membranas Ósmosis inversa Desalinizadores geotérmicos
Sistemas térmicos
Bombas de calor geotérmicas
Aparatos de calefacción y rerigeración
Captores de calor subterráneo
Intercambiadores geotérmicos (vertical y horizontal)
Conductos para distribución de aire
Sistemas termodinámicos
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CAPÍTULO 11: NUEVAS TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS
Fuente: Elaboración propia.
Áreas de aplicación
Áreas específicas de aplicación Tecnologías Productos y servicios
Captores de calor subterráneoPlantas de generación eléctricaTurbogeneradores
Vapor seco
Captores de calor subterráneo
Sistemas de calefacción de piscinas
Bombas de calor geotérmicas
Sistemas termodinámicos
Vapor seco
Energía hidraúlica Equipo e instalacionesIngeniería hidraúlica Mini-hidráulicas
Ingeniería hidraúlica Mini-turbinas de baja potencia para venta masiva
Energía del mar
Construcción y diseño Cilindros de hormigón Convertidores noruego de kvaerner
Turbinas y generadores
Turbinas
Turbinas hidráulicas verticales Convertidores dentro del marTecnología electrolítica
Turbinas de kaplan de eje horizontal y reversibles Central maremotriz
Turbogeneradores Central maremotriz
Aerogeneradores Columnas de agua oscilatoria
Turbogenerador Convertidores de energía térmica oceánica
Energía termoeléctrica
Ciclos combinadosTurbinas de ciclo combinadoFluidos Fluidos alternos al vapor de
agua
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