energía solar: tendencias de desarrollo, investigación e...

Energía solar: tendencias de

desarrollo, investigación e innovación

para la sustentabilidad

Claudio A. Estrada Gasca

2º Congreso Internacional de Medio Ambiente y Sociedad.

El uso de energi as alternativas para resolver problemas

sociales.

Sede tema tica de Energi as Renovables del 6to Congreso

Nacional de Investigacio n en Cambio Clima tico de la

UNAM.

20 de Octubre, 2016. El Colegio de Chihuahua,

Ciudad Jua rez, Chihuahua.

Contenido

1. Tendencias y prospectivas

2. Energía Solar

3. Tecnologías Termosolares de Potencia

4. Tecnologías Termosolares. Combustibles solares

5. Laboratorio Nacional de Concentración y Química Solar

6. Conclusiones

Energy Outlook 2030 © BP 20118

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Primary energy

Billion toe

Forecast

The world we live in…

Trillion, $2009 PPP

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GDPPopulation

Billion

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Primary energy

Billion toe

Forecast


Trillion, $2009 PPP

Forecast

GDPPopulation

Billion

Forecast

Population, Primary energy and Gross domestic product (GDP)

[BP, Energy Outlook 2030, 2011].

En los últimos 20 años, la

población mundial se ha

incrementado en 1,600

millones de personas.

Se espera que aumente

a 1,400 millones en los

próximos 20 años.


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OECD

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Primary energy

Billion toe

Forecast


Trillion, $2009 PPP

Forecast

GDPPopulation

Billion

Forecast

En 20 años, el ingreso

real aumentó en un 87%.

Es probable que aumente

en un 100% en los

próximos 2 años.

La demanda mundial de

energía está aumentando

de forma continua a un

ritmo de crecimiento anual

del 2,47%.

Tendencias y prospectivas

• Según la Administración de Información sobre Energía de USA, en su

escenario de referencia, la demanda mundial de petróleo va a evolucionar a

partir de 555 PJ por día en 2011 a 759 PJ por día en el 2040: se incrementará

en un 36% durante el período.

• Lo anterior significa un gran desafío en términos de inversiones, sobre todo en

un contexto de disminución de las reservas de lo que se ha llamado el

"petróleo fácil" (un término que se refiere a extraer y transportar fácilmente el

petroleo y por lo tanto es más barato). USA DOE / EIA, 2013.


Se puede establecer que el problema energético del mundo actual consiste

en:

• por un lado, el crecimiento de la población mundial y el aumento de los

niveles de vida de la misma están reforzando la demanda de energía;

• por otra parte, las fuentes principales de energía (los hidrocarburos)

que utilizamos los seres humanos para satisfacer dicha demanda están

mostrado su finitud;

• el uso intensivo de combustibles tiene un impacto hacia el medio

ambiente de dimensiones globales y catastróficas.

Esto demuestra que el sistema energético mundial no es sustentable.


• Los combustibles fósiles seguirán desempeñando un papel clave en los próximos

años, ya que ninguna otra fuente energética puede sustituirlos por completo, dada la

estructura actual de la sociedad globalizada y sus problemas económicos, políticos y

tecnológicos.

• Sin embargo, ante esta situación energética mundial y nacional, se necesita un

cambio de paradigma del modelo energético.

• Es urgente una utilización más racional de la energía, con menos impacto ambiental y

que lleve a la sustitución de los combustibles fósiles por otro tipo de energía primaria.

• Es urgente encontrar las fuentes energéticas suficientes que puedan sustituir a las

fuentes fósiles, además de que permitan la conservación del medio ambiente para

obtener un desarrollo sustentable.

• Este proceso de transición se debería lograr sin tensiones geopolíticas 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 gases de efecto

invernadero.


Recurso energético en el mundo y consumo global anual de energía, 2007.

Demanda global (DG) de energía

primaria, es aproximadamente

de 425 Exajoules / año (EJ /

año, EJ = 1018 Joules).


Source: National Petroleum Council, 2007,

after Craig, Cunningham and Saigo

Ante la situación anterior, debe hacerse un ejercicio responsable de planificación

energética del país, donde se decidirán qué tecnologías deberán impulsarse o

implementarse; para ello se debería tomar en consideración los siguientes puntos:

• La seguridad en el suministro energético para todos los habitantes

• Las reservas energéticas con las que se cuenta

• Los precios ($/Mtoe, $/Kw) y los costos (c$/kWh) de las tecnologías

• La minimización del impacto ambiental del uso de los sistemas energéticos


Escenarios posibles para la transformación del sistema mundial de energía, elaborado a partir del

cumplimiento de las nuevas políticas energéticas, las cuales consideran una economía baja en

carbono para la protección del medio ambiente. BP, 2011.

Contribución porcentual a la cuota de la energía

primaria mundial

Aportación de cada fuente primaria al crecimiento

de la demanda energética.

Trends and prospects [BP, Energy Outlook 2030, 2011].


La energía solar recibida cada 10 días sobre la Tierra equivale a todas las reservas conocidas de petróleo, carbón y gas.

El 70% de la población del planeta vive dentro de la denominada “Franja Solar”.

40 N

35

S

Energía Solar. Un recurso inagotable

La energía solar puede ser usada como fuente primaria para producir los dos vectores energéticos

modernos: electricidad combustibles.

4,225 Km2

65 Km

65 K

m

Potencial:

Chihuahua: 18,873 GWe

Sonora: 14,030 GWe

Con la energía solar que

llega a 0.14% de la

superficie de estos

estados, toda la energía

eléctrica consumida en el

país podría ser

satisfecha.

México recibe energía solar de alta calidad en más de la mitad de su territorio:

G = 1000 W/m2 promedio en estados de alta insolación

Potencia eléctrica instalada en México : 50 GWe (Sep 2008)

Potencia de una CSP/ área = 49 MWe / Km2

Energía Solar, un recurso inagotable en México

Algunas tecnologías

comerciales:

• Paneles fotovoltaicos,

• Colectores solares para

calentamiento de agua,

• Colectores para calor de

proceso industrial,

• Concentración solar para

generación de potencia

eléctrica,

• …..

• Concentración solar para

almacenamiento

termoquímico de

energía,

Energía Solar, Tecnologías

Parasol, Austria

Solar PV Global Capacity, 2004–2014

REN21 facilitates the collection of comprehensive and timely information on renewable energy. This information reflects diverse

viewpoints from both private and public sector actors, serving to dispel myths about renewable energy and to catalyse policy change.

It does this through six product lines.

Renewables Global Status Report (GSR)

First released in 2005, REN21's Renewables Global Status Report

(GSR) has grown to become a truly collaborative ef ort, drawing

on an international network of over 500 authors, contributors,

and reviewers. Today it is the most frequently referenced report

on renewable energy market, industry, and policy trends.

Regional Reports

These reports detail the renewable energy developments of a

particular region; their production also supports regional data

collection processes and informed decision making.

Renewables Interactive Map

The Renewables Interactive Map is a research tool for tracking

the development of renewable energy worldwide. It comple-

ments the perspectives and findings of REN21’s Global and

Regional Status Reports by providing continually updated

market and policy information as well as providing detailed,

exportable country profiles.

Global Future Reports (GFR)

REN21 produces reports that illustrate the credible possibilities

for the future of renewables within particular thematic areas.

Renewables Academy

The REN21 Renewables Academy provides an opportunity

for lively exchange among the growing community of REN21

contributors. It of ers a venue to brainstorm on future-orientated

policy solutions and allows participants to actively contribute on

issues central to a renewable energy transition. The next REN21

Renewables Academy will take place in autumn 2016.

International Renewable Energy Conferences (IRECs)

The International Renewable Energy Conference (IREC) is a

high-level political conference series. Dedicated exclusively to

the renewable energy sector, the biennial IREC is hosted by a

national government and convened by REN21. SAIREC 2015 will

be held in South Africa on 4–7 October 2015.

Global Futures Report

MENA Renewable Energy Status Report

Global Status Report on Local Renewable Energy Policies

ADIREC, Abu Dhabi International Renewable Energy Conference

First REN21 Renewables Academy, Bonn

SAIREC, South AfricaInternational Renewable Energy Conference

2011 2012 2013 2014 2015 2016

ECOWAS Renewable Energy and Energy Ef ciency Status Report

SADC and UNECE Renewable Energy and Energy Ef ciency Status Reports

EAC Renewable Energy and Energy Ef ciency Status Report

Second REN21 Renewables Academy

3

Solar Energy in the World

GigawattsWorld Total

Solar PV Capacity and Additions, Top 10 Countries, 2014

40 GWadded in 2014


Gigawatts

Concentrating Solar Thermal Power Global Capacity, by Country or

Region, 2004–2014


Gigawatts

World Total

Solar Water Heating Collectors Global Capacity, Shares of Top 10

Countries, 2013











Regional Reports














Renewables Academy



















2011 2012 2013 2014 2015 2016





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Solar Water Heating Collectors Global Capacity, 2004–2014











Regional Reports














Renewables Academy



















2011 2012 2013 2014 2015 2016





3

Data are for

solar water

collectors only

(not including

air collectors).

Gigawatts-ThermalWorld Total

Solar PV and CSP Capacities Installed Globally, 2013


Range in Levelised Cost of Energy for Selected Commercially Available

Renewable Energy Technologies in Comparison to Non-renewable Energy Costs

Economics in Solar Energy and RE

Range in Levelised Cost of Energy for Selected Commercially Available

Renewable Energy Technologies in Comparison to Non-renewable Energy Costs


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Greenpeace(2012)

IEA ETP (2014) "2DS"

IEA WEO (2013) "450"

ExxonMobil (2014)

GEA (2012)"Efficiency"(highest)

Share of Total Global Energy (Percent)

High renewables

Moderate

Conservative

SE4ALL objective

Visions for the Future: The upcoming decades 6

Global perceptions of renewable energy have shifted considerably during

the last decade; renewables have arrived in the mainstream. Despite

impressive achievements, greater efforts and closer collaboration between

the public and the private sector are needed to double the global share

of renewables by 2030 and about ensuring access to clean and sustainable

energy for all people by 2030 outlined by Sustainable Energy for All.

Over the past decade, renewable energy technologies have

moved into the mainstream. However, compared to the vast

global potential of all renewable energy sources, the current

market volume reveals only a glimpse of what it could be in the

future. Progress was most spectacular in the electricity sec-

tor; heating and cooling as well as transport still lack behind.

However, despite the remarkable growth of many renewable

energy technologies, the overall share of renewable energy in

total final energy consumption remained relatively stable from

1990 to 2013 due to increasing energy demand and the central

role of traditional biomass, which accounts for roughly 50% of

the renewable energy share in total final energy consumption.

In order to double the share of renewable energy in final energy

consumption as outlined by SE4ALL (from 18% in 2010 to 36%

in 2030), significant e orts in up-scaling the deployment of mod-

ern renewable energy sources including hydropower need to be

made; system integration and sustainability concerns need also

to be addressed.

As stated in REN21’s Renewables Global Futures Report, given

technology and economic trends the future of renewable energy

is fundamentally a choice, not a foregone conclusion. The con-

text for that choice includes the present situation—high levels of

current investment and more than a decade of dramatic market

growth, proliferation of support policies, and cost reductions in

renewable energy. The context also involves a growing diversity of

motivations, such as energy security, climate and environment,

Source: IEA ETP 2014; IEA WEO 2013. Reference see endnotes.

Figure 13: Conservative, Moderate, and High Renewable Energy Scenarios to 2050

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Greenpeace(2012)


IEA WEO (2013) "450"

ExxonMobil (2014)



High renewables

Moderate

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SE4ALL objective

























to be addressed.











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Greenpeace(2012)


IEA WEO (2013) "450"

ExxonMobil (2014)



High renewables

Moderate

Conservative

SE4ALL objective

























to be addressed.











Development of Solar Photovoltaic Module Prices, 1980 – 2013


Renewable Energy Jobs by Technology and Region, 2014


WindCSP

PV

Lifecycle of an energy technology revolution


Ejemplos de investigación, desarrollo e innovación:

o Tecnologías Termosolares de potencia

o Tecnologías Termosolares para el almacenamiento de energía con la

producción de combustibles

Capacidad Mundial

instalada o en proceso: >

11,000 MWe

Tecnologías Termosolares de Potencia. Inicios

Discos Parabólicos con motor Stirling

Canales Parabólicos

Reflectores lineales Frenel

Helióstatos con receptor en torre

Fluidos de trabajo

- Temperatura

- Rendimiento

- Almacenamiento

Diseño sistemas

- Ciclos

- Refrigeración

- Hibridación

- Terreno

- Costos

Diferentes tecnologías: Diferentes prestaciones y potenciales

Potencia de PTS / Area: 1 MWe / 2 acres

Tecnologías Termosolares de Potencia

Sun and Wind Energy 6 2010

227 Proyectos (> 11 GWe)

> 1.3 GWe en operación

~ 4 GWe en construcción

Tecnologías Termosolares de Potencia. Despliegue

Extresol 1 y 2 (ACS/Cobra)

PS10 and PS20 (Abengoa Solar)Puertollano 50 MW (Iberdrola Renovables)

Gemasolar (Torresol)


SEGS Plants (Total 354 MW)Kramer Junction / Harper Lake, California

Nevada Solar One 64 MWBoulder City, Nevada

Kimberlina 5 MWBakersfild, California

Sierra Sun Tower 5 MWLancaster, California

Red Rock 1 MW

Arizona

Plantas en Operación en EUA


Empleos creados: 3,500,000

Fuente: REN21. Renewable 2011. Global Status Report.

Mercados mundiales de energías renovables

DecarbonizationDecarbonizationH2O-splittingH2O-splitting

Solar Fuels (Hydrogen, Syngas)

Solar

Cracking

Solar

Gasification

Solar

Reforming

Solar HT-

Electrolysis

Solar

Thermochemical

Cycle

Solar

Electricity

+

Electrolysis

Concentrated

Solar Energy

Fossil Fuels(NG, oil, coal)

Fossil Fuels(NG, oil, coal)

Optional CO2/C

Sequestration

Optional CO2/C

Sequestration

H2OH2O

Descomposición H2O/CO2

H2O/CO2

Tecnologías Termosolares. Combustibles solares

Laboratorio (<1 kW) Piloto (1-100 kW) Industriales (>100 kW)

Tub

ular

esD

oble

cám

ara

Par

tícul

asV

olum

étric

os

DCORE

McNaughton

SOLZINC

Gokon Weimer

Flamant

Steinfeld

Wieckert Wieckert

Wömer

SOLREF

Kodama

HYDROSOL

Flamant

Steinfeld

Kodama

Bertocchi

ImhofAPPCDC

Steinfeld

SYNPET Siegel y Kolb


Reactores

Temperature [K]

Pro

du

ct

Ga

s C

om

po

siti

on

[%

]

Solar Gasification

CO2

Concentrated Solar Power

Petcoke

H2O

CO

H2

Shift

Reactor

Shift

Reactor

H2OH2O

CO2H2

CO2H2

Separation H2H2 Fuel cell Work

Output

Sequestration

(optional)

CC Work

Output

ceramic cavity

Concentrated

Solar

Power

quartz window

syngas

petcoke

H2O nozzle


Gasificación de coke

Con la visión de que en México hay:

• Abundancia de recurso solar

• Desarrollo industrial suficiente en metalmecánica

• Ingeniería de calidad

En los últimos 20 años se han realizado esfuerzos para generar

recursos humanos y grupos de investigación que cultiven y

desarrollen las tecnologías de CSP, grupos que han madurado y

tienen presencia nacional e internacional.

El objetivo del esfuerzo es permitir el desarrollo de una industria solar

mexicana en las tecnologías de CSP.

México. Condiciones adecuadas

México. Proyectos de I+D+i. Fondos

Fondos Gubernamentales, Secretaría de Economía, CONACYT:

Fondos Sectoriales:

SENER Sustentabilidad, Hidrocarburos

SAGARPA, …..

Fondos Mixtos

Fondos Institucionales

Proyectos Relevantes

1. Laboratorios Nacionales:

a. Sistemas de concentración y química solar

b. Innovación fotovoltaica y caracterización de celdas solares

2. Centro Mexicano de Innovación Energía Renovables:

CeMIE Solar, CeMIE Eólico, CeMIE Geotérmico, Hidrógeno, minihidráulico,

bienergía,…..

3. Otros proyectos: FORDECyT,

• Está constituido por una red de grupos de investigación, con el propósito de avanzar en el

desarrollo de tecnologías solares, generando conocimiento científico y tecnológico, así

como formando recursos humanos de alto nivel en el área.

• El proyecto se divide en tres sub-proyectos:

• Horno Solar de Alto Flujo Radiativo (HoSIER)

• Planta Solar para el Tratamiento Fotocatalítico de Aguas Residuales (PSTFAR)

• Campo de Pruebas de Helióstatos (CPH)

• El proyecto es único en Latinoamérica o en países en desarrollo y permitirá a México

posicionarse en el ámbito mundial en la investigación sobre las tecnologías de

concentración solar.

• Lo anterior permitirá impulsar el desarrollo de una industria nacional de tecnologías de

concentración solar.

Laboratorio Nacional de Concentración y Química Solar Primera Etapa (2008-2010)

Proyecto de 3 años, empezó en Sep 2007 – terminó en Dic 2010. ≈ 4 M $USD

Laboratorio Nacional de Concentración y Química Solar Primera Etapa (2008-2010)

http://www.cimat.mx/

Subproject: Solar Furnace of High Radiative

Flux. Temixco, Morelos

Carbon steel:

Tf = 1808 K; 1535 C

Tungsten:

Tf = 3704 K; 3406 C

Sub-project: Heliostats testing field

HTF. Hermosillo, Sonora

• Tower 33 m high

• Lambertian target of 36 m2

• 15 Heliostats in operation 36 m2

• 82 heliostats of 36 m2: 2 MWt

Está constituido por una red de grupos de investigación nacionales e internacionales, con el propósito de avanzar en el desarrollo de tecnologías solares, generando conocimiento científico y tecnológico, así como formando recursos humanos de alto nivel en el área.

Objetivo Científico

• Ciencia Aplicada / Tecnología: Generar conocimientos científicos y tecnológicos en áreas como energía solar, ingenierías térmica, mecánica, química, de control, ciencia de materiales, economía e impactos ambientales de la energía

Sub-proyectos

• Laboratorio de TermoQuímica Solar (LTQS)

• Campo Experimental de Torre Central (CEToC)

• Concentración Solar Fotovoltaica (CSF)

Laboratorio Nacional de Concentración y Química Solar. Segunda Etapa (2011-2015)

Concentración Solar Fotovoltaica (CSFV)

Simulación con Defrac

0,00E+00

5,00E+02

1,00E+03

1,50E+03

2,00E+03

2,50E+03

3,00E+03

3,50E+03

-5,00E-02 -3,00E-02 -1,00E-02 1,00E-02 3,00E-02 5,00E-02

Inte

nsid

ad

de

Flu

jo

Longitud

Spo…

Concentración Solar Fotovoltaica (CSFV)

Uniformidad: 0.0536115

Flujo Promedio: 449076

Longitud del

Homogeneizador 1: 1m

Longitud del

Homogeneizador 2: 1m

Área: 9 cm2

• El uso potencial de la energía solar es enorme y su desarrollo incluye un gran número

de disciplinas científicas y técnicas, fundamentales y aplicadas.

• Se observa una gran actividad en todas las áreas de I + D + I en STP, pero no tienen

una buena distribución geográfica, ya que sólo hay un grupo pequeño de actores bien

definidos.

• El paso a la madurez tecnológica de la electricidad generada a partir de fuentes

renovables requiere el aumento de la capacidad instalada y la adaptación a la demanda.

• La influencia de las políticas a favor de la aplicación de la tecnología solar es ahora un

elemento clave. Sin embargo, no existe una solución única.

• En combustibles solares, se avanza progresivamente hacia la escala industrial.

• Se sumará México a este esfuerzo tecnológico global o sólo va a ver pasar el

tren como lo hemos hecho con otras tecnologías?

Algunas conclusiones

Reunión de STAGE-STE en Mexico,

Oct 6, 2014

Gracias por su atención

[email protected]

• En solar termoeléctrica

– la demostración de las primeras plantas comerciales y

– el avance hacia generación directa de vapor y

– sistemas de almacenamiento térmico a gran escala.

• En química solar sobresalen

– la producción de hidrógeno y

– destoxificación de aguas y aires contaminados.

• En calor y frío solar,

– el desarrollo de captadores para su uso en aplicaciones de gran valor

añadido como la desalación y la refrigeración.

– El calor de proceso industrial

– Materiales y captadores avanzados e integración en edificios

Conclusiones sobre tecnologías

Tecnologías Termosolares de Potencia. Costos

2014 10 27 Red Energia IPN vf.pptx2014 10 27 Red Energia IPN vf.pptx2014 10 27 Red Energia IPN vf.pptx

energía solar: tendencias de desarrollo, investigación e...

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