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Introducción a las energías alternativas
Dr. Rafael Peña Gallardo
Universidad Autónoma de San Luis Potosí
1. Introducción
• En México la generación de energía eléctrica es en base a distintas
centrales generadoras, como lo son, termoeléctricas, carboeléctricas,
hidráulicas, geotérmicas, eoloeléctricas, nucleoeléctricas, entre
otras.
Fuente CFE, reporte mes de Septiembre 2012
No incluye Zona Centro
Fuente CFE, reporte mes de Septiembre 2012
Zona Centro
Fuente CFE, reporte mes de Septiembre 2012
Aspectos legales en México
• La cogeneración, al igual que la producción independiente, el
autoabastecimiento, la pequeña producción y la importación de
energía eléctrica es permitida en México desde 1992 en base a la Ley
del Servicio Público de la Energía Eléctrica, la cual establece el
alcance de estas categorías.
Autoabastecimiento
• Esta categoría corresponde a la energía eléctrica destinada a la
satisfacción de necesidades propias de personas físicas o morales,
“siempre que no resulte inconveniente para el país a juicio de la
Secretaría de Energía”.
• No es permitido entregar energía eléctrica a terceras personas físicas o
morales que no fueren socios de la misma.
• Asimismo los excedentes de producción de energía eléctrica se tienen
que poner a disposición de la CFE.
Cogeneración
• Se define como la “energía eléctrica producida conjuntamente con
vapor u otro tipo de energía térmica secundaria, o ambos; cuando la
energía térmica no aprovechada en los procesos se utilice para la
producción directa o indirecta de energía eléctrica o cuando se
utilicen combustibles producidos en sus procesos para la generación
directa o indirecta de energía eléctrica”.
Pequeña producción de energía eléctrica y productores independientes.
• Esta categoría corresponde a solicitantes que destinen la totalidad de la
energía para su venta a la CFE por una capacidad total del proyecto que,
básicamente, no podrá exceder de 30 MW.
• Alternativamente (y como una modalidad del autoabastecimiento) esta
categoría aplica cuando los solicitantes destinen el total de la
producción de energía eléctrica a pequeñas comunidades rurales o áreas
aisladas que carezcan de la misma y que la utilicen para su autoconsumo
como cooperativas de consumo, copropiedades, asociaciones o
sociedades civiles, cuyos proyectos no excedan de 1 MW.
¿Y en el hogar?
• Derivado de diversas disposiciones establecidas en el Plan Nacional
de Desarrollo 2007-2012, en la Ley para el Aprovechamiento de
Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición
Energética, su Reglamento, así como en el Programa Especial de
Cambio Climático 2008-2012; se puede instalar en tu domicilio o
negocio, tu propia fuente de energía renovable o sistema de
cogeneración en pequeña ó mediana escala y realizar un contrato de
interconexión con CFE.
1.1. Conceptos y definiciones
• ¿Energías convencionales, alternativas o renovables?
• ¿Cogeneración o Generación Distribuida?
Energías renovables
• Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de
fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa
cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de
regenerarse por medios naturales.
Energías convencionales
• Son las que tradicionalmente se utilizan para la generación de
energía eléctrica.
• Históricamente se les ha asociado con la quema de algún
combustible como lo es carbón, gas, derivados del petróleo y que
emiten gases contaminantes a la atmósfera.
Termoeléctrica “Plutarco Elías Calles”, Petacalco, Guerrero.
Hidroeléctrica “El Infiernillo”, Arteaga, La Huacana y Churumuco , Michoacán.
Energías alternativas
• Son todas aquellas fuentes de energía utilizadas como una
alternativa a las tradicionales clásicas.
• Comúnmente se asocia este concepto con el de energías renovables o
verdes.
• En otros casos, como todas aquellas que no implican la quema de
combustibles fósiles.
Parque eólico “La Venta”, Juchitán, Oaxaca.
Nucleoeléctrica “Laguna Verde”, Punta Limón, Veracruz.
Cogeneración
• La cogeneración se define como la producción secuencial de energía
eléctrica y/o mecánica y de energía térmica aprovechable en los
procesos industriales a partir de una misma fuente de energía
primaria.
• La capacidad actual de cogeneración de energía eléctrica en México
asciende a 3, 300 MW (Fuente SENER).
Generación Distribuida
• Una definición muy conocida es la del IEEE (Institute of Electrical
and Electronic Engineers):
"Generación Distribuida es la producción de electricidad con
instalaciones que son suficientemente pequeñas en relación con
las grandes centrales de generación, de forma que se puedan
conectar casi en cualquier punto de un sistema eléctrico. Es un
subconjunto de recursos distribuidos".
Aplicaciones de la Generación Distribuida
• Carga base.
• Proporcionar carga en punta.
• Generación aislada o remota.
• Soporte a la red de distribución.
• Almacenamiento de energía.
2. Tipos de energías alternativas
• Renovables o Eólica
o Solar o *Hidráulica
o Geotérmica o Biocombustibles
o Marina
• No Renovables o *Nuclear o Química (celdas combustibles)
Algunos temas a tratar…
• Potencial en el país.
• Ventajas y desventajas.
• Modelos o tipos básicos.
Energía Eólica
• Las centrales eólicas se basan en la utilización del viento como
energía primaria para la producción de energía eléctrica.
• Existen 3 centrales de este tipo en el país, están en La Venta
(Oaxaca), Guerrero Negro (Baja California Sur) y Yuumil'iik
(Quintana Roo).
Mapa de velocidad de viento en México
Mapa de potencial eólico en México
• Ventajas:
o Utilizan una fuente de energía renovable.
o No utiliza agua.
o Puede instalarse en cualquier espacio en el que las condiciones del viento
sean adecuadas.
o Instalación rápida.
• Desventajas:
o Impacto negativo, debido al ruido y desde el punto de vista estético.
o Muerte de aves y murciélagos por colisión.
o Es intermitente y no puede ser utilizada como única fuente de energía.
Tipos de Aerogeneradores
• Los aerogeneradores según la orientación del rotor pueden ser
clasificados en:
o Eje horizontal.
o Eje vertical.
Eje Horizontal
• El eje de rotación del equipo se encuentra paralelo al suelo y a la dirección del viento,
y está situado en la parte superior de la torre.
• Ventajas: un buen aprovechamiento de las
corrientes de aire por estar situado a una altura de entre 40 y 60 metros del suelo; capacidad de adaptarse a diferentes potencias; y una eficacia
muy alta.
• Desventajas: la dificultad en su transporte por sus grandes dimensiones
(torres de 60 metros y palas de 40 metros); y las altas velocidades de
viento que tienen que resistir las palas.
Eje Vertical
• Son aquellos en los que el eje de rotación se encuentra en posición perpendicular al suelo y a la dirección del viento, y se localiza en la base de la torre.
• Ventajas: Aprovechan los vientos que provienen de cualquier dirección; no necesitan un mecanismo de orientación; no se requiere una torre de estructura poderosa; y gracias a su tamaño más reducido, son de fácil instalación y mantenimiento.
• Desventajas: potencia y producción de energía menor que los de eje horizontal, ya que las velocidades del viento cerca del nivel del suelo son bajas; requieren conexión a la red para poder arrancar, utilizando el generador como motor.
Eje Vertical: Savonius
• Dos o más semicilindros o canaletas colocadas
opuestamente alrededor del eje. Trabaja esencialmente por
arrastre, puede arrancar con poco viento pero su
rendimiento es relativamente bajo. Tiene una velocidad de
giro pequeña. Sencillo y de bajo costo.
Eje Vertical: Darrieus
• Dos o tres arcos que giran alrededor del eje. Las fuerzas
dominantes son las de sustentación, tienen un par de
arranque prácticamente nulo, pero entregan potencias
altas. Son los que más rendimiento tienen, junto con los de
eje horizontal.
Eje Vertical: Giromill
• Combina sobre un mismo eje un rotor Savonius para el
arranque y un rotor Darrieus para generar la energía, ya
que el Darrieus tiene mejor rendimiento que el Savonius
pero arranca mal, y el Savonius se puede poner en
funcionamiento con una pequeña brisa.
Tipos de sistemas de conversión electro-mecánica
Energía Solar
• Para la generación de electricidad se utilizan dos tipos principales:
o Energía solar fotovoltaica
o Energía solar térmica.
Energía Solar Fotovoltaica
• Las centrales fotovoltaicas producen electricidad sin necesidad de
turbinas ni generadores, utilizando la propiedad que tienen ciertos
materiales de generar una corriente de electrones cuando incide
sobre ellos una corriente de fotones.
• En México de acuerdo a datos de la CFE, se han instalado 42,000
pequeños módulos fotovoltaicos para abastecer pequeñas
comunidades muy alejadas de los grandes centros de población.
Paneles fotovoltaicos con sistema seguidor
• Existen dos tipos de celdas fotovoltaicas:
o Las cristalinas (monocristalinas o policristalinas)
o Las amorfas
Tipos de celdas fotovoltaicas
• Este tipo de celdas fotovoltaicas normalmente se utilizan en
pequeños paneles solares, como los de las calculadoras, relojes o las
lámparas de jardín.
• Se fabrican depositando una película delgada de silicio sobre una
hoja de otro material tal como acero. El panel esta formado de una
pieza y las celdas individuales no son visibles a simple vista.
• Su eficiencia de conversión es de aproximadamente un 8%.
Celdas Fotovoltaicas Amorfas
• Existen de silicio policristalino, las cuales están conformadas por
pequeños cristales de una enorme pureza que hace que sus propiedades
eléctricas sean muy diferentes del silicio amorfo. Este tipo de celdas
alcanzan eficiencias de conversión de alrededor 14%.
• Cuando se requiere de un silicio de mayor pureza y eficiencia eléctrica,
es posible entonces obtener silicio monocristalino, en el que el bloque
entero de silicio es un único cristal perfecto lo que asegura que los
electrones se desplacen mas libremente. Este tipo de celdas alcanzan
eficiencias de alrededor 16%.
Celdas Fotovoltaicas Cristalinas
Energía Solar Térmica
• Es el aprovechamiento de la energía del Sol para generar calor
mediante el uso de colectores o paneles solares térmicos.
• Este tipo de aprovechamiento de energía solar se encarga de calentar
el agua u otro tipo de fluidos.
Central de energía solar termoeléctrica
Mapa de potencial solar en México
• Ventajas:
o Fuente inagotable y no contaminante.
o El costo de la tecnología va disminuyendo.
o Se pueden instalar en zonas remotas.
o Bajo costo de mantenimiento.
• Desventajas:
o Es intermitente.
o Necesita grande extensiones de terreno.
o Fuerte inversión inicial.
Energía Hidráulica
• Se denomina energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergía, a
aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinética
y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas.
• En el país existen 102 centrales hidroeléctricas.
• Ventajas:
o Utilizan una fuente de energía renovable.
o Los precio de mantenimiento y explotación son bajos.
o Buena duración de la obra.
o Ayuda al control de inundaciones y se puede utilizar como riego.
• Desventajas:
o Costos de inversión muy altos.
o La construcción lleva un largo tiempo.
o Disponibilidad del recurso varia con las estaciones y años.
o Puede alterar los ecosistemas de los ríos.
Centrales mini o micro-hidráulicas
Tipos de turbinas hidráulicas
Energía Geotérmica
• Una central geotérmica es un lugar donde se aprovecha el calor
interno de la Tierra.
• Existen 7 plantas generadoras de este tipo en el país, están en Cerro
Prieto I, II, III y IV (Baja California Norte), Los Humeros (Puebla),
Los Azufres (Michoacán) y Tres Vírgenes (Baja California Sur).
• Ventajas:
o Utilizan una fuente de energía renovable.
o El área de terreno requerido en estas plantas es menor que otros tipos.
• Desventajas:
o No está disponible más que en determinados lugares.
o En ciertos casos emisión de acido sulfhídrico que se detecta por su olor a
huevo podrido, pero que en grandes cantidades no se percibe y es letal.
o Puede producir contaminación de aguas próximas con sustancias como
arsénico, amoniaco, etc.
Mapa de potencial geotérmico en México
Los Humeros, Puebla
Biocombustibles
• Los biocombustibles son combustibles de origen biológico obtenido
de manera renovable a partir de restos orgánicos. Estos restos
orgánicos proceden habitualmente del azúcar, trigo, maíz o semillas
oleaginosas.
• Entre los más conocidos están:
o Biodiésel
o Bioetanol
o Biogás
o Biomasa
Biodiésel
• El biodiésel es un biocombustible que se fabrica a partir de cualquier
grasa animal o aceites vegetales.
• Se suele utilizar maíz, girasol, canola, soja o jatropha, los cuáles, en
algunos casos, son cultivados exclusivamente para producirlo.
• El sistema más habitual es la transformación de estos aceites a través de
un proceso de transesterificación. De este modo, a partir de alcohol
metílico, hidróxido sódico (soda cáustica) y aceite vegetal se obtiene un
éster que se puede utilizar directamente en un motor diesel sin
modificar, obteniéndose glicerina como subproducto
Bioetanol
• El bioetanol, también llamado etanol de biomasa, es un alcohol que
se obtiene a partir de maíz, sorgo, caña de azúcar o remolacha.
• Permite sustituir las gasolinas o naftas en cualquier proporción y
que generan contaminación ambiental.
Biogás
• El biogás, resulta de la fermentación de los desechos orgánicos. Este
combustible es una alternativa más en la matriz energética del país.
Biodigestor
Biomasa
• La biomasa es un tipo de energía renovable procedente del
aprovechamiento de la materia orgánica e industrial formada en algún
proceso biológico o mecánico, generalmente, de las sustancias que
constituyen los seres vivos (plantas, ser humano, animales, entre otros),
o sus restos y residuos.
• La generación de energía eléctrica mediante la combustión/
gasificación/ pirólisis de biomasa es una de las opciones más conocidas.
Son plantas térmicas (caldera + turbina + condensador) con sistemas de
refrigeración, y evacuación eléctrica.
• Ventajas:
o Las calderas de biomasa son ecológicas.
o El combustible es más barato que los fósiles (en algunos casos).
o Se aprovechan desechos que generalmente no son utilizados.
• Desventajas:
o Las calderas de biomasa son más caras que las tradicionales.
o Se necesita de mucho espacio para generar y almacenar el combustible.
o Tienen un menor rendimiento energético en comparación con los
combustibles fósiles.
o La producción puede ser estacional.
Potencial Energético de la Biomasa en México
• En México, la bioenergía representa el 8% del consumo de energía
primaria, siendo los principales bioenergéticos el bagazo de caña, el cual
se utiliza en la generación eléctrica y/o térmica en la industria
azucarera; y la leña, que se canaliza a la calefacción y cocción de
alimentos.
• Es decir el uso actual de la bioenergía de México alcanza
aproximadamente 408 PJ / año; de acuerdo a la Red Mexicana de
Bioenergía el potencial energético de la biomasa en México, se
encuentra entre 3,035 PJ / año a 4,550 PJ / año.
Energía Marina
• Se puede aprovechar la energía proveniente del mar de las siguientes
maneras:
o Energía de las corrientes.
o Energía osmótica.
o Energía térmica oceánica.
o Energía de las mareas.
o Energía de las olas.
• Ventajas:
o Contienen casi todas las ventajas de las centrales hidráulicas.
• Desventajas:
o Inversión inicial elevada y tiempo elevada de construcción.
o Cambios en los ecosistemas.
o Impacto visual sobre el paisaje costero.
Potencial de energía mareomotriz en México
• En México no hay centrales de
este tipo, pero se tiene ubicado
potencial en Baja California
Norte.
Energía nuclear
• Una planta de energía nuclear genera energía eléctrica convirtiendo
la energía liberada por el núcleo de los átomos, usualmente
mediante lo que se conoce como fisión nuclear.
• En México se cuenta con una central de este tipo ubicada en
Veracruz (Laguna Verde) y otra en el Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares.
• Ventajas:
o No utiliza combustibles fósiles y por lo tanto no libera CO2 a la atmosfera.
o Con poco combustible se genera mucha energía eléctrica (un kilo de
uranio produce 20,000 veces más que un kilo de carbón).
o Costo de producción menor.
o Menor índice de accidentes.
• Desventajas:
o Costo de construcción y mantenimiento muy elevado.
o Riesgos de seguridad.
o Manejo de los residuos nucleares.
Energía Química (celdas combustibles)
• Las celdas de combustible convierten permanentemente sustancias químicas en electricidad a través de una serie de reacciones químicas.
• Sus ventajas son muchas. Las celdas de combustible son silenciosas y
más eficientes para obtener energía que la quema de combustibles
fósiles.
• Muchas de ellas actualmente tienen una eficiencia de hasta el 60% y,
con algunas modificaciones tecnológicas podrían alcanzar casi un 90 %. En comparación, las turbinas tienen una eficiencia de entre el 40 y el
50%, mientras que la eficiencia de los motores de combustión interna es
de entre el 10 y el 20%.
• Ventajas:
o Alta eficiencia en la conversión del combustible a electricidad.
o Capaces de utilizar varios combustibles.
o Silenciosas en su operación.
o Carecen de partes móviles.
o Gran flexibilidad para operar con otros sistemas de generación de
electricidad aumentando la eficiencia del sistema.
• Desventajas:
o En general, los equipos que presentan esta tecnología es costosa en todas
sus aplicaciones, debido a su reciente entrada al mercado.
3. Consideraciones para la factibilidad de implantación
• Definición de factibilidad: “se refiere a la disponibilidad de los
recursos necesarios para llevar a cabo los objetivos o metas
señaladas”.
• Tipos de factibilidad:
-> Económica. -> Legal.
-> Técnica. -> Organizacional.
-> Política. -> Humana.
-> Ambiental. -> etc.
Ejemplo simple:
1. Factibilidad política y legal:
o Leyes y normativa sobre el uso y conexión.
2. Factibilidad técnica:
o Disponibilidad de la materia prima (irradiación solar, viento,
temperatura, agua, etc.) y condiciones del lugar.
o Demanda de energía eléctrica.
o Selección y diseño del sistema (capacidades, número de unidades,
esquemas, protecciones, etc.).
o Estudios de conexión con un sistema (armónicas, flujos de potencia,
niveles de corto circuito, etc.).
3. Factibilidad económica:
o Inversión.
o Periodo de recuperación del capital.
o Etc…
4. Factibilidad ambiental:
o Estudios del impacto ecológico de la instalación del sistema.
5. ¿Es viable o no el proyecto?
4. Discusión y conclusiones
• ¿Es factible o no el uso de energías alternativas? ¿de qué tipo? ¿de
qué capacidad?
• ¿Preguntas, inquietudes, comentarios?
¡Muchas gracias por su atención!