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Presidente: Enrique Ochoa Reza, Director General de la Comisión Federal de ElectricidadSecretario: Sergio Valdés Ramírez, Presidente de la Cámara Nacional de Manufacturas EléctricasProsecretario: Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización, Instituto de Investigaciones EléctricasConsejeros propietarios: • Francisco Leonardo Beltrán Rodríguez, Subsecretario de Planeación y Transición Energética, Secretaría de Energía • Luis Carlos Hernández Ayala, Director de Operación, Comisión Federal de Electricidad • Guillermo Turrent Schnaas, Director de Modernización, Comisión Federal de Electricidad • Pedro Luna Tovar, Subdirector de Programación, Comisión Federal de Electricidad • Noé Peña Silva, Subdirector de Transmisión, Comisión Federal de Electricidad • Alejandro Sibaja Ríos, Director General de Programación y Presupuesto “B” de la Secretaría de Hacienda y Crédito Público • José Narro Robles, Rector de la Universida Nacional Autónoma de México • Enrique Fernández Fassnacht, Director del Instituto Politécnico Nacional • Salvador Vega y León, Rector General de la Universidad

Boletín IIE es una publicación trimestral, de distribución gratuita y editada por el Departamento de Difusión del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Los artículos firmados son responsabilidad de sus autores. El material de este boletín solo puede reproducirse parcial o totalmente, con la autorización escrita del IIE. ISSN0185-0059. Certificado de licitud de título 01777. Franqueo pagado, publicación periódica, permiso número 002 0583, características 319 321412, autorizado por Sepomex.

El tiraje de esta publicación es de 1,600 ejemplares.

Impreso en los talleres de Dicograf S.A. de C.V., Av. Poder Legislativo 304, col. Prados de Cuernavaca, C.P. 62239 Cuernavaca, Morelos, México.

• José Luis Fernández Zayas, Director Ejecutivo • Ángel Fierros Palacios, Director de Energías Alternas • Salvador González Castro, Director de Tecnologías Habilitadoras • Rolando Nieva Gómez, Director de Sistemas Eléctricos • José M. González Santaló, Director de Sistemas Mecánicos • Fernando A. Kohrs Aldape, Director de Planeación, Gestión de la Estrategia y Comercialización • Alfredo Gómez Luna Maya, Director de Administración y Finanzas • Gladys Dávila Núñez, Jefa del Departamento de Difusión

Presidente: Carlos Ortiz Gómez, Director General de Investigación, Desarrollo Tecnológico y Formación de Recursos Humanos, Secretaría de EnergíaSecretario técnico: Fernando A. Kohrs Aldape, Instituto de Investigaciones Eléctricas

• Luis Carlos Hernández Ayala, Comisión Federal de Electricidad • Mario Alberto Cervantes García, Secretaría de la Función Pública • Federico Millán del Portillo, Secretaría de la Función Pública • Alejandro Sibaja Ríos, Secretaría de Hacienda y Crédito Público • José Narro Robles, Universidad Nacional Autónoma de México

Junta Directiva

Comité Técnico Operativo

Comité Editorial

Autónoma Metropolitana • Sergio Hernández Vázquez, Director Adjunto de Centros de Investigación, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología • Hugo Gómez Sierra, Director de División Cables, Condumex • Carlos Rafael Murrieta Cummings, Consejero independiente • Ernesto Ríos Patrón, Consejero independienteComisarios públicos: • Mario Alberto Cervantes García, Delegado y Comisario Público Propietario del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública • Federico Millán del Portillo, Subdelegado y Comisario Público Suplente del Sector Energía de la Secretaría de la Función PúblicaInvitados: • Odón de Buen Rodríguez, Director General de la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Carlos Antonio Álvarez Balbas, Socio Director, Despacho Álvarez Balbas, S. C.

• Enrique Fernández Fassnacht, Instituto Politécnico Nacional • Salvador Vega y León, Universidad Autónoma Metropolitana • Sergio Hernández Vázquez, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología • Odón de Buen Rodríguez, Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía • Salvador Portillo Arellano, Prolec GE Internacional S. de R.L. de C.V. • Francisco Javier Varela Solis, Comisión Federal de Electricidad

• Federico Estrada Arias, Coordinador Editorial • Arturo Fragoso Malacara, diseño gráfico • Verónica García Rodríguez, diagramación, formación y cuidado de la edición • Wendy Lugo Sandoval, publicación electrónica • Sergio Ortega López, fotografía • Ana María Sámano Ramírez, distribución

Sumario

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Editorial

DivulgaciónLa biomasa en la transición energética de México / Biomass in Mexico´s energy transition Jorge Maximilano Huacuz Villamar

Tendencia tecnológicaProducción de biogás con nopal / Biogas production with nopalJosé Luis Arvizu FernándezAprovechamiento de residuos sólidos urbanos (RSU) / Use of municipal solid waste (MSW)César Alfredo Romo Millares

Artículo técnicoProducción de gas de síntesis (gasificación de bambú) / Production of synthesis gas (gasification of bamboo) Hipólito Romero Tehuitzil

Soluciones innovadoras con energía

Comunidad IIE • El Instituto brinda asesoría al municipio de Juchitán, en Oaxaca / IIE provides advice to the municipality of Juchitan, Oaxaca• Instituto Mexicano del Petróleo y el IIE estrechan lazos de cooperación / IMP and IIE strengthen ties of cooperation• IIE capacita a personal de Pemex Refinación / IIE trains Pemex Refinación personnel• Proyecto desarrollado por el IIE recibe reconocimiento de PEMEX / Project developed by IIE receives PEMEX recognition

Breves técnicas• Evaluación de recurso eólico en el Istmo de Tehuantepec / Wind resource assessment in the Tehuantepec Isthmus. Ubaldo Miranda Miranda y Ramón Lira Argüello• Desarrollo de un simulador económico de granjas solares urbanas para la CFE / Development of an urban solar farms economic simulator for CFE. Humberto Rubén Becerra López y M. Consolación Medrano Vaca• Monitoreo remoto de aplicaciones vía satélite / Remote monitoring of satellite applications. Javier Lagunas Mendoza, Raúl Ángel Leal Hernández y Esmeralda Pita Jiménez• Proyecto planta deshidratadora de chile en el estado de Zacatecas. Integración de colectores de canal parabólico / Chile dehydration plant project in the state of Zacatecas. Integration of parabolic trough collectors. Carlos Ramos Berumen, Juan Rafael Ramírez Benítez, José Beltrán Adán, Octavio García e Issac Pilatowsky

Artículo de investigaciónPotential assessment in Mexico for solar process heat applications in food and textile industries / Evaluación del potencial para aplicaciones de calor de proceso en industrias de alimentos y textiles en MéxicoArticle originally published in Volume 49C, 2014, Pages 1879-1884 of Energy Procedia, Elsevier, 2014.Carlos Ramos Berumen, Juan Rafael Ramírez Benítez y José Beltrán Adán

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Editorial

A partir de 2008 y hasta la fecha (2015), el Gobierno de México ha realizado esfuerzos para fortalecer las instituciones clave del sector energético y para desarrollar un marco legal, regulatorio y normativo, así como establecer las políticas públicas y programas apropiados para transitar hacia un sector energético sostenible e incluyente, con el objetivo de satisfacer las necesidades futuras de energía y reducir los impactos nocivos al medio ambiente.

La contribución que deberán tener las energias renovables en México ha quedado plasmada en leyes y reglamentos

promulgados por el gobierno mexicano, como por ejemplo la Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y Financiamiento de la Transición Energética (LAERFTE) y la Estrategia Nacional de Energía (ENE) 2013-2027, y ante este escenario es importante reflexionar si estamos preparados para dar cumplimiento a dichos mandatos.

Es igualmente imperante reflexionar sobre los siguientes cuestionamientos: ¿Se están generando las cadenas de valor asociadas a las energías renovables y sus beneficios se perciben en la sociedad mexicana? ¿Los beneficios generados están permeados a las zonas del país con gran desarrollo de proyectos de energías renovables? ¿Los egresados de nuestras instituciones de educación superior tienen las capacidades y competencias que demanda la industria de las energías renovables? ¿Cuál es el papel que deben jugar los centros públicos de investigación respecto a su contribución al desarrollo tecnológico e innovación en todo el proceso?

Estas y otras preguntas nos las hacemos continuamente en la Gerencia de Energías Renovables del IIE, con la finalidad de definir el rol y compromisos que debemos asumir para que la transición energética sea una realidad.

Es por ello que en éste, el número dos del Boletín IIE, el artículo de divulgación habla de la biomasa en la transición energética de México, la cual

Editorial

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El artículo técnico presenta las variables de proceso para la producción de gas de síntesis en un gasificador de lecho fijo con flujo descendente, tecnología que puede ser una alternativa para las zonas rurales donde aún no llega la electricidad.

En este número, las breves técnicas destacan la evaluación del recurso eólico en el Istmo de Tehuantepec, zona con los vientos más intensos de la República Mexicana; el desarrollo de un simulador económico de granjas solares urbanas para la Comisión Federal de Electricidad, tecnología que constituye una opción de autoabastecimiento eléctrico limpio para el usuario residencial o comercial de pequeña escala; el monitoreo remoto de aplicaciones vía satélite, el cual permite revisar su operación y la de los sensores, para asegurar la disponibilidad de datos y detectar posibles problemas operativos, y finalmente, de un proyecto sobre una planta deshidratadora de chile en el Estado de Zacatecas y la integración de colectores de canal parabólico.

El artículo de investigación describe una evaluación del potencial en México para aplicaciones de calor de proceso solares en industrias de alimentos y textiles.

Sin duda alguna la transición energética es un reto importante que se debe afrontar, ya que tenemos ante nosotros la gran oportunidad que la comunidad científica y tecnológica que trabaja con las energías renovables estaba esperando.

En el Instituto de Investigaciones Eléctricas utilizaremos al máximo nuestras capacidades para lograr que las energías renovables contribuyan a diversificar la matriz energética nacional, a combatir el cambio climático y a disminuir la emisión de gases de efecto invernadero, para así lograr un México más próspero y más equitativo.

se estima que para el año 2050 pudiera contribuir entre 25% y 30% de la mezcla futura de energía a nivel global.

En la sección de tendencia tecnológica se presentan dos artículos: el primero nos habla de la producción de biogás con nopal, cuya tecnología es factible técnica y económicamente, siempre y cuando el biodigestor se opere al 100%, y el segundo artículo nos plantea el aprovechamiento de los residuos sólidos urbanos, con los cuales se podría generar energía eléctrica con tecnologías de conversión disponibles, la cual podría estar alimentando inclusive centrales térmicas con una potencia de 4,000 MW.

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La biomasa en la transición energética de México

La biomasa en el mundo antiguo

Desde que el hombre primitivo descubrió cómo controlar y usar el fuego con fines prácticos, el uso como energético de materia orgánica de origen vegetal ahora llamada biomasa ha sido una constante en el proceso del desarrollo humano. Aún se discute si fue el homo sapiens, o su antecesor el homo erectus, quien aprendió a usar el fuego para tener mayor seguridad, mejores opciones alimenticias y más confort (Primitive Man's Relationship with Fire and the Environment, 2015).

El hombre primitivo también aprendió a domesticar animales para uso como bestias de tiro y carga, cuya fuerza muscular le fue útil en el proceso del desarrollo agrícola y para otras actividades. Así, por miles de años la fotosíntesis fue fuente primaria de energía, que a través de la alimentación soportó la fuerza muscular de humanos y animales. Más adelante, la combustión de madera tomó auge como fuente de energía calorífica, que ha sido usada a lo largo de miles de años en procesos productivos.

Jorge Maximiliano Huacuz Villamar

Abstract

Along human history, biomass in its multiple forms has played an important role as an energy source. It is estimated that biomass could supply between 25 and 30% of the future global energy mix by the year 2050. This energy resource has a vast potential in Mexico and there is also a legal framework for its exploitation, along with programs for its promotion. However, there are still pending tasks for this resource to make an important contribution to this country´s energy transition. This article presents an overview of the biomass situation in Mexico.

Divulgación

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Se reporta que a finales del siglo XV, el escenario energético estaba dominado en casi 50% por la fuerza muscular de hombres y bestias, mientras que la leña cubría el resto de la demanda. Por su lado, el carbón vegetal ya se destinaba para procesar metales, actividad intensiva en uso de calor.

Al aumentar la población también creció la necesidad de espacio para fundar ciudades y de tierra fértil para producir más alimentos. Durante la edad media los bosques se redujeron en treinta por ciento en Europa, al ser remplazados por áreas de cultivo. Por ejemplo, en 1086 en Inglaterra, los bosques ocupaban el 15% del territorio, pero en dos siglos, la mitad de esa superficie fue talada, por lo que a fines del siglo XIII se emitieron en esta zona las primeras leyes para la protección de los bosques. La deforestación tuvo proporciones similares en todo el continente europeo y los bosques pasaron de ser fuente de energía a suministrar madera para otros usos (Szabó et al., 2015).

A principios del siglo XIX, la sociedad humana aún vivía una economía agrícola, cuya base energética comenzaba ya a diversificarse con la incorporación lenta pero creciente de otras formas de energía. Investigadores sostienen que la sustitución de combustibles de origen orgánico principalmente por carbón mineral, se debió en gran medida a la

competencia por espacios cultivables entre la producción de alimentos y la producción de energía (Wrigley, 2011).

La biomasa en el mundo moderno

El Consejo Mundial de la Energía reporta que en 2013, la biomasa suministraba globalmente unos 50 Exajoules (EJ), equivalente al 10% del consumo anual de energía primaria en el mundo. El potencial técnico de la biomasa para 2050 se estima en 1,500 EJ por año, aunque escenarios que toman en cuenta aspectos de sustentabilidad (factores ambientales, disponibilidad de agua y otros) indican un potencial menor, de entre 200 y 500 EJ. La demanda mundial de energía primaria para el año 2050 se espera se ubique en el rango de 600 EJ a 1000 EJ, por lo que la biomasa podría contribuir entre 25% y 30% de la mezcla futura de energía (World Energy Council, 2013).


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En los países industrializados, la contribución de la biomasa es en promedio solamente 3% de la energía primaria total, primordialmente en aplicaciones para calor y electricidad, pero muchos países han establecido metas para incrementar su uso como medio para cumplir con sus objetivos energéticos y ambientales. Se espera que para el año 2050, el uso de biomasa para energía en la industria se duplique, mientras que para la producción de electricidad crezca entre 2 y 2.5 veces para el año 2030. Los biocombustibles tienen una mayor tasa de crecimiento para el transporte y reciben mucha atención del público, pero hoy solamente representan el 1.5% del total del consumo. Se proyecta que para el año 2030 habrá crecido 10 o 20 veces en relación con el nivel de consumo actual (World Energy Council, 2013).

Procesos de conversión

Existen varias tecnologías con distinto grado de desarrollo para la conversión de biomasa en bioenergéticos. También se desarrollan tecnologías para mejorar la calidad de algunas formas de biomasa y convertirlas en energéticos más densos, así como de mayor eficiencia para su acarreo y almacenamiento.

Las tecnologías para producción de calor van desde estufas muy rudimentarias hasta plantas modernas de cogeneración (calor y electricidad), la cocombustión de biomasa (co-firing) en centrales carboeléctricas, y la combustión directa de residuos sólidos urbanos (RSU). La digestión anaerobia para producir biogás (mezcla de gases con alto contenido de metano) es un proceso más apropiado para transformar biomasa húmeda, lodos residuales y líquidos con alto contenido de materia orgánica. Estos procesos están tecnológicamente bien establecidos y disponibles comercialmente. Las tecnologías de gasificación de biomasa producen mezclas de gases de alto valor energético, pero su uso es aún limitado, aunque pueden ser más eficientes y económicas, tanto en pequeña como en gran escala.

La producción de alcohol etílico anhidro (bioetanol) por fermentación de la glucosa contenida en algunos productos agrícolas (caña de azúcar, remolacha, maíz) y la producción

de biodiésel por transesterificación de aceites derivados de cultivos oleaginosos, aceites residuales orgánicos y grasas, son las principales tecnologías para la producción de biocombustibles destinados al sector transporte.

Ejemplos a seguir

Varios países han emprendido exitosamente la ruta de los bioenergéticos. Brasil es el primer productor de bioetanol en el mundo a partir de caña de azúcar y Estados Unidos ocupa un lugar equivalente usando maíz. Los países europeos tienen políticas ambiciosas para el uso de bioenergéticos. Suecia es un caso notable: en 1980 decidió abandonar la ruta nuclear y limitar su dependencia del petróleo, y reorientó su estrategia energética hacia las energías renovables. Ya para 1999 la biomasa aportaba 14% del suministro total de energía. Ocho años después su aportación se había duplicado (Johansson, 2004), y el 57.7% del calor, el 9.2% de la electricidad y el 4.9% de los combustibles automotores provenían de la biomasa (Melin, 2009). Gracias a un esquema de estímulos (Johansson, 2001), en 2008 había un total de 30 plantas incinerando el 48% de los RSU para producir casi 10 TWh de electricidad (Melin, 2009). Cientos de autobuses, camiones y vehículos híbridos en Suecia operan con biocombustibles producidos con excedentes de granos y vinos del mercado europeo. El impulso a la biomasa en este país impacta en

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los sectores tecnológico, agrícola, forestal e industrial. Suecia exporta biocombustibles sólidos, equipo para su manejo y aprovechamiento, y servicios profesionales para el aprovechamiento de la biomasa.

Los bioenergéticos en México

En México, la biomasa aporta el 4.22% del total de la energía primaria (SENER, 2014). El recurso básico es madera forestal en forma de leña y carbón vegetal. Se estima un consumo de 38 millones de metros cúbicos de madera al año, es decir, tres y media veces superior al uso de madera en rollo en las industrias del papel, muebles, y la construcción (SEMARNAT, 2007-2012). Cerca del 66% van al sector doméstico de autoconsumo y alrededor del 2% para producir carbón vegetal, 2,500 toneladas en 2012 (IRENA). El resto va, en partes iguales, al sector doméstico comercial y a pequeñas industrias.

El potencial de la biomasa en México no ha sido cuantificado en forma integral, pero hay cifras sobre su valor en varios sectores. Su potencial energético bruto se ubica entre 3,000 y 4,500 Petajoules (PJ) por año (Islas, 2007), considerando madera de bosques naturales y de plantaciones forestales, subproductos agrícolas, cultivos energéticos y RSU. Estas cifras representan entre 45 y 67 por ciento de la oferta interna bruta de energía del año 2014.

Generación eléctrica

Algunos autores ubican el potencial de generación eléctrica con biomasa en México por arriba de los 18,500 MW (Arvizu, 2008) que podrían lograrse en un escenario alto de penetración para el año 2030 (Islas, 2007). La SENER establece una cifra de 3,642 MW, de los cuales 1,515 pueden implementarse en diez años a partir de residuos: RSM, 200 MW; agrícolas, 950 MW; pecuarios, 278 MW; y forestales 87 MW(SENER, 2012).

De acuerdo con el Programa Especial para el Aprovechamiento de Energías Renovables-PEAER (DOF, 2014), la capacidad instalada para generación en el país a partir de biomasa es de 680.6 MW. Del total de la bioelectricidad producida, el 90% proviene de la combustión directa de bagazo de caña en ingenios azucareros y el resto de biogás de diversas fuentes. La Prospectiva de Energías Renovables prevé 402 MW en plantas de generación distribuida con biomasa para el año 2028. Aún no aparecen en México plantas de cocombustión o de gasificación de biomasa, ni plantas de combustión de RSU. El IIE elaboró una guía con información útil para el desarrollo de nuevos proyectos de generación con RSM (Romo et al., 2012).


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Biocombustibles

Los dos principales cultivos para producir bioetanol para automotores en México son caña de azúcar y sorgo en grano. Se calcula que para el año 2020 habrá suficiente capacidad en el país para atender una demanda anual de bioetanol por casi 350 millones de litros, mientras que de sorgo se podrían suministrar casi 150 millones de litros (CIDB). Para producir biodiésel en México hay tres cultivos no alimenticios con potencial actual para rendir 10 millones de litros al año: palma de aceite, higuerilla, y Jatropha curcas (SAGARPA, 2013). Para 2015 se estima una producción de entre 8 y 11 millones de litros de bioetanol, que se espera crezca a entre 175 y 250 millones de litros anuales en 2025 (SENER, 2014-2028) y 350 millones para 2030 (IRENA, 2015). Sin embargo, poco se observa en términos de ampliación de la capacidad nacional de producción, pues de 40 permisos que el gobierno ha otorgado en bioetanol, solamente dos corresponden a proyectos de producción y dos para transporte, el resto son permisos para comercialización. En biodiesel, el gobierno ha otorgado a la fecha 15 permisos para plantas cuya capacidad sea menor a 500 litros por día.

Las principales acciones a la fecha en el área de biocombustibles incluyen una prueba piloto realizada en el período 2008-2009, en la cual una flotilla de vehículos en el área de Monterrey operó con gasolina mezclada con

bioetanol al 6%. En la mezcla se utilizaron 2.38 millones de litros de gasolina Magna y 151,600 litros de bioetanol. En el período 2010-2011 se destinó financiamiento para la producción de biodiésel. Se reporta la existencia de cuatro plantas y una producción que pasó de 49,000 litros en 2010 a 60,000 litros en 2011. En ese mismo período, el programa Pro-árbol de CONAFOR financió la siembra de más de ocho mil hectáreas de Jatropha curcas. También se realizaron pruebas piloto en vehículos utilizando mezclas al 5% de biodiésel como lubricante del diésel ultra bajo en azufre. Por su parte, Aeropuertos y Servicios Auxiliares (ASA), quien tiene firmado un convenio con el Gobierno del Estado de Morelos para impulsar la producción de aceite de Jatropha, presentó en 2010 la iniciativa "Plan de vuelo hacia los biocombustibles sustentables de aviación en México". Se han realizado ya en el país varios vuelos de prueba utilizando bioturbosina (mezcla de turbosina y biokeroseno producido con aceite de Jatropha) suministrada por ASA.

El Marco Jurídico en México

Antes de 2008 México no tenía un marco jurídico aplicable a los bioenergéticos, ni en general a las energías renovables. En ese año se emitió la Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos-LPDB (DOF, 2008) para promover la producción de insumos y materias primas, así como la producción,

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transporte y comercialización de bioenergéticos. El Gobierno busca reactivar el sector rural, generar empleo y mejorar la calidad de vida de la población rural con esta ley.

La LPDB define bioenergéticos como “combustibles obtenidos de la biomasa provenientes de materia orgánica de las actividades agrícola, pecuaria, silvícola, acuacultura, algacultura (sic), residuos de la pesca, domésticas (sic), comerciales, industriales, de microorganismos, y de enzimas, así como sus derivados, producidos por procesos tecnológicos sustentables que cumplan con las especificaciones y normas de calidad establecidas por la autoridad competente”. Cabe notar que la Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética-LAERFTE (DOF, 2008), emitida también en 2008, excluye a los RSU del concepto de energía renovable cuando son convertidos mediante procesos térmicos.

La LPDB crea la Comisión Intersecretarial para el Desarrollo de los Bioenergéticos (CIDB), entidad que coordina las políticas en la materia. El Reglamento de esta Ley (DOF, 2009) establece obligaciones para varias dependencias y prohíbe la producción de bioenergéticos con maíz. También prohíbe cambiar el uso de suelo de forestal a agrícola para producir insumos para bioenergéticos, y obliga a la SAGARPA a emitir un “Programa de Producción Sustentable de Insumos para Bioenergéticos”, otro para el “Desarrollo Científico y Tecnológico”, y a la SENER el “Programa de Introducción de Bioenergéticos” con objetivos, estrategias, acciones y metas. El PEAER, derivado de la LAERFTE, establece entre sus cinco objetivos principales incrementar la participación de biocombustibles en la matriz energética nacional y propone promover el aprovechamiento de residuos e insumos para la producción de biocombustibles, desarrollar las condiciones de certidumbre legal y de mercado para la promoción de todo tipo de biocombustibles y mezclas, y generar y difundir información relevante para su promoción, desarrollo y uso.

Las políticas en México no establecen mandatos para los mercados de biocombustibles para el transporte, pero se

actúa para promover el desarrollo de esa agroindustria mediante el Programa de Bioeconomía implementado en 2010, con un presupuesto de 1,000 millones de pesos otorgado por el Fondo para la Transición Energética y el Aprovechamiento Sustentable de la Energía. El recurso aprobado se destina a proyectos para la multiplicación de semillas, plantas y material vegetativo, así como al establecimiento de cultivos a nivel comercial y proyectos innovadores de producción de insumos para bioenergéticos, así como para apoyar proyectos de plantas piloto, investigación y desarrollo tecnológico, validación de paquetes tecnológicos de cultivos agrícolas o de algas con potencial productivo para la obtención de biomasa (Zamarrita, 2011).

Las tareas pendientes

Varios factores impactan la viabilidad comercial de los bioenergéticos en el país, ya sea para generación eléctrica o para biocombustibles, incluyendo los costos de producción y la logística para el acopio de la biomasa, los costos de recolección y entrega en las plantas de procesamiento, las adecuaciones que requerirán las centrales de generación ya en operación y otros más.

La transición de nuestro país hacia una economía con mayor aprovechamiento de la biomasa seguramente durará varias décadas, a lo largo de las cuales los bioenergéticos deberán evolucionar hacia formas más eficientes, más


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rentables y más sustentables. Su participación en la matriz energética dependerá fundamentalmente de su competitividad económica y del marco de políticas y programas que para su adopción se establezcan en el futuro.

Al igual que hace cientos de años en otras regiones, la producción de bioenergéticos en México se podrá ver limitada por factores tales como el incremento en la demanda por alimentos de una población creciente y con mayor poder económico, lo que puede limitar la disponibilidad de suelos y agua para su cultivo. Igualmente limitantes podrán ser los posibles impactos del cambio climático sobre los cultivos de bioenergéticos y de éstos sobre la biodiversidad.

La investigación y el desarrollo deberán jugar un papel importante para eliminar las barreras, tanto en el trayecto hacia los bioenergéticos de segunda y tercera generación como en la estructuración local de las correspondientes cadenas de valor, de tal forma que la implementación masiva de bioenergéticos en el país sea social, económica y ambientalmente sustentable. Cabe destacar que los bioenergéticos de segunda generación se basan en insumos que contienen biomasa ligno-celulósica y de los cuales se pueden obtener biocombustibles líquidos. En los de tercera generación se ubican las microalgas unicelulares y las macroalgas, de las cuales se pueden producir tanto alcoholes como diésel e hidrógeno. Actualmente se investigan procesos tanto bioquímicos como termoquímicos para su transformación.

Se espera que el Centro Mexicano de Innovación en Bioenergéticos, en proceso de creación por el Fondo de Sustentabilidad Energética CONACyT-SENER, logre vincular los esfuerzos de la academia, centros de investigación y empresas para atender la diversidad de barreras que han sido obstáculo a nivel internacional para el desarrollo de proyectos de bioenergéticos, incluyendo el riesgo tecnológico derivado de la compleja interacción de las diversas etapas de desarrollo de las componentes tecnológicas individuales a través de todos los segmentos de la cadena de producción y suministro.

Igualmente importante será planear el uso de suelo a nivel regional y lo relativo a la tenencia de la tierra, así como el desarrollo de una estrategia integral del sistema energético, transversal a los sectores calor, electricidad y transporte. Resulta de particular interés en el momento actual, revisar y actualizar los esquemas existentes para el financiamiento de proyectos, de manera relevante los de pequeña escala, así como desarrollar nuevas formas de negocio de los bioenergéticos, si es que se quiere cumplir con los objetivos de la ley de crear empleos y promover el desarrollo de las comunidades rurales menos favorecidas.

Referencias

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Melin G. (2009). Current use of Biomass for energy in Sweden and forecast for the coming years. SVEBIO.

Johansson, B. Biomass and Swedish Energy Policy. Environmental and Energy Systems Studies, Lund University.

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Currículum vítae

Jorge Maximiliano Huacuz Villamar[[email protected]]

Doctor y Maestro en Ingeniería Física por la Universidad de California, San Diego, Estados Unidos. Ingeniero Químico por la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1970. Desde 1980 colabora con el IIE, desempeñándose como investigador, Coordinador del Área de Energía Solar y Gerente de Energías No Convencionales, puesto que ocupó de 1995 a septiembre de 2013, fecha en que se reincorpora a la plantilla de investigadores de esa Gerencia. Fue fundador y Presidente Nacional de la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES) de México. Fue miembro de la Sociedad Internacional de la Energía Solar y Editor Asociado de la revista Solar Energy, publicación científica de dicha sociedad. Fue Coordinador Internacional de la Red Iberoamericana de Electrificación Rural con Energías Renovables (RIER) del Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED). Colabora con el Grupo de Trabajo sobre Energías Renovables y es miembro del Comité Ejecutivo del Acuerdo Solar Power and Chemical Systems, ambos de la Agencia Internacional de la Energía.Ha dictado conferencias sobre el tema de las energías renovables en varios países y ha publicado artículos en revistas nacionales e internacionales.. Posee el nombramiento de Investigador Nacional por el Sistema Nacional de Investigadores (SNI).

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Tendencia tecnológica

Antecedentes

En el año 2010 inició el interés del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) por determinar la factibilidad de producir biogás a partir del nopal, motivado por la búsqueda de fuentes de energía renovable de acuerdo a la ley de promoción de los bioenergéticos, a la ley de energías renovables y a la ley de cambio climático aprobadas en el sexenio anterior. En el marco de estas leyes se han apoyado proyectos a traves de diversos fondos como los sectoriales de CONACYT con la SAGARPA y la SENER, sobre proyectos basados en cultivos no tradicionales y poco conocidos en nuestro país como el de la Jatropha curcas, la higuerilla y la remolacha, por mencionar algunos, enfocados a la producción de bioetanol y biodiesel. Sólo uno o dos proyectos conocidos han sido apoyados para la producción de biogás a partir del nopal, el cual tiene la ventaja de ser un cultivo muy conocido históricamente en nuestro país, al menos como fuente de alimentación. El interés surgió a partir de la inciativa empresarial surgida en Camémbaro, Michoacán, mediante la construcción y puesta en operación

Producción de biogás con nopal

José Luis Arvizu Fernández

Abstract

In this article are described the activities undertaken following the IIE interest to use the nopal as an input for the production of biogas, as the experimentation carried on with the objectives of determining the yields of biogas per unit mass of the cactus, and the conditions under which this is possible, based on the design parameters and operation of the plant of 100 m3 built and operated by the private initiative in Camémbaro Michoacán. So far most of the questions about the real benefits of nopal farming for energy through biogas production, have not been revealed. As should continue efforts to carry out the tasks that have been postponed, and that largely they have been made by the Camémbaro private sector producers of tortilla and nopal.


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de un biodigestor para la producción de biogás en 2010 (figura 1). Esta planta ha estado en operación hasta la actualidad (2015). El biodigestor tiene un volmen de 100 m3 y una capacidad de tratamiento de ocho toneladas de nopal por día, no obstante, obedeciendo a los recursos disponibles se ha operado hasta el momento a un 20% de su capacidad nominal. Con su operación al 100% se demostraría que la tecnología es factible técnica y económicamente, a través de un estudio de factibilidad que monitoree, registre y verifique la operación de la planta a plena capacidad.

Importancia comercial del nopal en nuestro país

Los altos rendimientos de biomasa del cultivo del nopal y sus bajos requerimientos de agua, nutrientes y suelos en climas desérticos y semidesérticos con poca o baja precipitación pluvial, lo sitúan como una importante fuente de bioenergéticos a través de su conversión a biogás mediante el proceso de digestión anaeróbia. El nopal tiene variadas aplicaciones, entre otras en la industria de alimentos y bebidas, en la farmacéutica, la cosmética, la textil, en el sector de la construcción, y nuevas, en el sector energético para la producción de biogás y en el ambiental como fijador de carbono. En nuestro país existen cuatro productos con valor comercial

derivados del nopal que son el nopal verdura, la tuna, el nopal forrajero y la grana cochinilla (tabla 1). Después del jitomate, el chile verde y la cebolla, el nopal ha sido, en los últimos años, la hortaliza de mayor importancia con una superficie sembrada de 84,000 hectáreas. De éstas se cosechó el 75% en 2009, del que 19.2% correspondió al nopal verdura, 73.6% a la tuna y el 7.1% al nopal forrajero.

El valor de la producción de estos tres productos en ese año fue de $2,463 millones de pesos, correspondiendo el 58.1% al nopal verdura, el 40.2% a la tuna y el 1.6% al nopal forrajero. Los precios medio rural por tonelada fueron de $1,925/ton de nopal verdura, $2,877/ton de tuna y $339/ton de nopal forrajero, este último es el de interés para producir biogás. De las 18,100 has sembradas, sólo se cosecharon 4,500 has (25%). Los principales Estados productores son Zacatecas, Coahuila y Aguascalientes con el 99.3% del volumen


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producido y el resto Chihuahua, Jalisco, Guanajuato y Sonora. Se han registrado rendimientos de hasta 207 ton/ha/año bajo el régimen de riego. Los precios fluctuaron para el mismo año entre $216/ton en Aguascalientes, y $401/ton en Zacatecas. El valor de la producción fue de $40 millones de pesos, para un volumen de 118,300 t/año.

Potencial energético del nopal

Para estimar el potencial energético del nopal, por homologación se consideró el potencial de generación

de biogás de los residuos de frutas y legumbres experimentado por el IIE, como parte de sus proyectos de investigación histórica sobre el tema, encontrando que se puede generar como máximo 11m3 de biogás por metro cúbico de digestor o reactor por día (m3

Biogás/m3Reactor/d) con un

contenido de metano del 72%, a cargas orgánicas en términos de sólidos volátiles (SV) por metro cúbico de reactor por día de 9.8 kg SV/m3

Reactor/d, a tiempos de residencia hidráulico (TRH) de dos días y temperaturas entre los 23°C y los 27°C a escala de 100 litros de volumen de reactor. Lo anterior implica que por cada kg de SV alimentado se pueden generar bajo las condiciones citadas, 0.71 m3 de biogás/kg SV alimentado o 0.41 m3CH4/ kg SV alimentado. Este último valor es del mismo orden de magnitud que los rendimientos promedio determinados en la conversión de cultivos a CH4 en

Figura 1. Planta de Biogás de Nopal en Camémbaro, Michoacán.

Verdura Tuna Forraje Grana

Sup sembrada Ha 12,500 53,300 18,100 100 84,000

Sup cosechada Ha 12,100 46,300 4,500 62,900

Producción Ton 721,400.0 344,100.00 118,300.00 1,183,800.0

Rendimiento Ton/Ha 59.8 15.7 R/7.3 T 141R/24.5T

Precio medio rural $/Ton 2,571.9 2,877.4 339.0

Valor promedio millones de pesos 1,432.9 990.0 40.1 2,463.0

Precios central de abasto $/Kg julio 0.6 0.3

Precios central de abasto $/Kg enero 1.2 0.5

Fuente: Monografías del Nopal, Financiera Riral, SIAP-SAGARPA.

Tabla 1. Producción de nopal en México 2009, 2010.


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plantas comerciales en Europa, y que es de 0.431 m3CH4/kgSV que fluctúan entre 205 m3CH4/kgSV para maíz y 658 m3CH4/kgSV para cebada.

De los análisis realizados a nopales muestreados en mercados de la ciudad de Cuernavaca y los alimentados al reactor de la planta de Camémbaro, se han determinado valores que indican que cada tonelada de nopal contienen en promedio 60 kg SV/t de nopal, y una humedad que va del 90% al 95%. Por lo que el potencial de generación de biogás y metano del nopal, homologándolo con los valores de los cultivos citados, es de 25 m3CH4/ton nopal o 40 m3 biogás/ton nopal en promedio, ya que el contenido de SV del nopal fluctúa entre 90 kg y 30 kg por tonelada de nopal fresco. Bajo las condiciones de la conversión de residuos de frutas y legumbres a biogás, el nopal podría producir 6.5 m3

biogás/m3Reactor/d a tiempos de

residencia de dos días, para el reactor de Camémbaro de 100 m3 de volumen, y su capacidad máxima sería igual al doble de la de diseño, es decir, 16 ton de nopal por día. Cabe destacar que la productividad energética del nopal depende fundamentalmente de dos valores: el rendimiento de biogás, y el rendimiento del cultivo en toneladas de nopal por hectárea de superficie cosechada.

El cultivo de la caña de azúcar es uno de los productos agrícolas más importantes en nuestro país, su generación de biomasa es del orden de

las 300 t/ha por zafra en México, si se anualiza, se tendría una producción entre 600t/ha y 800t/ha como sucede en países sudamericanos, por lo que es posible que un cultivo en general y del nopal en particular, alcance estos rendimientos bajo condiciones tecnificadas. Si se considera un rendimiento de 600 t/ha/año y 40 m3 de biogás/t de nopal, se producirían hipotéticamente 24,000 m3 de biogás/ha/año, que equivalen a 40 MWh/ha/año. En los Estados de Michoacán y Zacatecas se han citado rendimientos de nopal de 800 t/ha/año. Con estos rendimientos, el potencial energético del nopal sería de 56 MWh/ha/año.

Experimentación en la GER

En la Gerencia de Energías Renovables (GER) del IIE se han realizado de manera intermitente en los años 2010 y 2011, pruebas de laboratorio a escala de mililitros y litros, tanto a régimen batch como continuo (figuras 2 y 3), corridas experimentales para determinar la producción y el rendimiento de biogás del nopal. Estas pruebas se interrumpieron en 2012 y se retomaron a finales de 2013 hasta la fecha (2015). Se probaron mezclas de nopal con lodos de un digestor de una granja de cerdos a régimen batch en botellas de 250 ml (figura 2). El objetivo de estas

Figura 2. Pruebas de digestión anaerobia de nopal en diferentes proporciones con lodos anaerobios.


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pruebas fue el de explorar y determinar la biodegradabilidad del nopal para la producción de biogás. La producción de biogás típica se muestra en la figura 4, la cual se obtuvo de la digestión anaerobia de 20 ml de la fracción sólida (pulpa) del nopal verdura adquirido en un mercado de Cuernavaca, que se mezcló con lodos anaerobios porcinos, con adición de hidróxido de sodio para neutralizar el pH. Los mejores resultados se observan en el rango de 15% a 20% de nopal, en tanto que para las mezclas de 50%, 75%, 85% y 100% de nopal, se observó actividad microbiana en la mayoría, y en el de 100% del nopal no existió, por lo que el nopal no se biodegradó a biogás. También se probaron mezclas

en el rango bajo de 0%, 5%, 10% de nopal. En la mayoría de los casos hubo producción de biogás y disolución de la pulpa. Las experiencias anteriores muestran que el nopal se degrada en un periodo de diez a doce días, en condiciones anaerobias establecidas.

Asimismo se efectuaron corridas en reactores de un litro a régimen de alimentación “continuo” (semicontino) del jugo de nopal y recirculación continua (figura 5), a temperatura de 35°C. En estas corridas se alimentaron los jugos del nopal, ya que los sólidos de este ingrediente obstruyen el tubo flexible de 4 mm de diámetro de alimentación y recirculación del sistema. El objetivo de estas pruebas fue el de alcanzar las condiciones de carga de alimentación de ocho toneladas por día o su equivalente de 80 g de nopal por litro de reactor, por lo que se alimentaron 20 ml, 40 ml, 50 ml, 60 ml, 70 ml y 80 ml de jugo de nopal al reactor de un litro. En la curva de la figura 5 se puede apreciar la producción de biogás derivada de estas pruebas y como puede observarse, el promedio de este rendimiento fue de 15 ml biogás/ml de jugo de nopal.

Las conclusiones derivadas de estas pruebas son que el jugo alimentado produce la mitad del gas que la pulpa del nopal. Se requiere como mínimo una relación uno a uno de sólidos volátiles en el reactor a sólidos volátiles del nopal, para evitar la inhibición. Se requiere la neutralización del pH con hidróxido de sodio del jugo

Figura 3. Cuantificación y muestreo de biogás en la digestión anaerobia del nopal.

Figura 4. Producción de biogás de nopal en régimen batch.


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alimentado en las pruebas. Se sugiere continuar con las pruebas empleando nopal y microrganismos de la planta de Camémbaro.

En las pruebas en laboratorio se continuaron empleando nopal y lodos con microorganismos empleados en la planta de Zitácuaro a finales de 2013, y continuaron en 2014 en la misma escala de un litro o menos, con los equipos mostrados en las figuras 8 y 9. En las figuras 6 y 9 se presentan los rendimientos alcanzados en estas pruebas, donde se alimentaron el nopal molido completo y el jugo. Como se puede observar, los rendimientos fueron en promedio de 32.5 ml/ml de jugo de nopal (figura 7) y 15 ml/g de nopal molido (figura 10). Las diferencias en el rendimiento son el resultado de las

Figura 5. Equipo digestión anaerobia del jugo de nopal.

Figura 6. Digestión anaerobia “continua” del jugo de nopal 2010.

Figura 7. Digestión anaerobia “continua” del jugo de nopal 2013.

Figura 8. Equipo de producción continua de biogás del nopal 2013.


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diferentes condiciones de operación de cada conjunto de experimentos, ya que en el caso del nopal molido se introducía aire una vez al día, al realizar la operación de alimentación al sistema no existiendo opción, dada la escala de las pruebas.

El objetivo fundamental de estas pruebas fue el de obtener rendimientos similares al teórico de 40 m3 biogás/ton de nopal, equivalentes a 40 ml biogás/g de nopal. Hasta el momento esto no ha sido posible, entre otras causas debido a la escala de las pruebas que limita la simulación física de las condiciones de operación de la planta de 100 m3 de Camémbaro, así como la posible influencia de la pectina, que es un polímero orgánico que pudiera limitar la conversión del carbono a biogás, por la acción de los microorganismos

correspondientes, y que es un elemento que le da valor al nopal como protector del aparato digestivo cuando es ingerido como alimento por la población. Por lo que en futuras pruebas deberán tomarse en cuenta estos factores, para alcanzar el rendimiento teórico esperado de biogás para el nopal.

Sustentabilidad del nopal

Los impactos positivos y beneficios derivados de la producción de nopal como fuente de energía renovable son de orden social, económico y ambiental. Será posible la creación de empleos permanentes en el campo y empleos indirectos en los sectores energético y comercial afines, aprovechar superficies de cultivo ociosas, desérticas o semidesérticas en el sector agrícola, revalorar el cultivo del nopal en general y del forrajero en particular, mejorando las prácticas de cultivo. Se podrá sustituir diésel por biogás en las labores del campo, así como de electricidad, mitigando el impacto de emisiones a la atmósfera, entre otros, de gases sulfurosos y orgánicos volátiles, brindando una atmósfera menos contaminada en beneficio de la salud de los pobladores del campo y del planeta; generación de combustibles y energía a costos competitivos con los combustibles derivados del petróleo, con lo cual se reducirá en este sector agropecuario la dependencia del diésel y la electricidad, en la medida que los subsidios a estos energéticos disminuya.

Figura 10. Rendimiento de biogás por unidad de masa del nopal 2014.

Figura 9. Equipo de digestión anaerobia “continua” del nopal 2014.


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La generación de empleos para la producción de nopal es muy significativa, baste citar como ejemplo que en el Estado de Puebla se dedican a la producción de tuna y nopal verdura más de dos mil familias, se tienen establecidas 4,150 hectáreas para la tuna y 1,000 hectáreas para la producción de nopal verdura, esta producción requiere un millón 500 mil jornales por cosecha. Los ingresos por el cultivo del nopal fluctúan entre $50 y $60 mil pesos anuales por hectárea, en promedio cada familia posee 2.5 hectáreas, lo cual en 2011 representaba seis veces más los ingresos de lo que se obtiene quien produce maíz y frijol en el mismo espacio de terreno. El nopal forrajero tiene menor precio de $216.0/ton, que se puede compensar con un rendimiento de 300 ton/ha, lo que implicaría ingresos superiores a los $60 mil pesos por hectárea.

Observaciones y conclusiones

El nopal tiene muchas aplicaciones y sus productos principales son el nopal verdura, la tuna, el nopal forrajero y la grana cochinilla. Por las características de su cultivo difieren sobre todo en el tiempo de su cosecha. El insumo para la producción de biogás es el nopal forrajero y los desechos derivados de los otros productos que tienen mejor precio, que puede ser compensado por el volumen de su producción tecnificada.

La producción tecnificada del nopal trae impactos positivos y beneficios del orden social, económico, ambiental y energético entre otros, ya que no compite con su producción como alimento, por lo que cumple con esta condición básica establecida en la ley sobre bioenergéticos vigente en nuestro país.

El potencial energético del nopal depende de dos rendimientos importantes: el primero se refiere a su producción en campo, la cual debe ser superior a las 300 ton/ha/año, y por homologación con el cultivo de la caña de azúcar esto es posible al doble. El segundo rendimiento a que se hace referencia tiene que ver con los m3 de biogás generados por tonelada de nopal, lo cual también por homologación con las experiencias en el IIE y rendimientos

reportados en plantas industriales con otros cultivos en Europa, es en promedio 40 m3

biogás/ton de nopal. Por lo cual se pueden esperar idealmente poco más de 50 MWh/año/ha, convirtiendo el nopal a biogás y éste a electricidad exclusivamente.

Los objetivos de la experimentación en la GER han sido principalmente, determinar los rendimientos de biogás por unidad de masa del nopal, así como las condiciones bajo las cuales esto es posible, tomando como base los parámetros de diseño y operación de la planta construida y operada por la iniciativa privada en Camémbaro, Michoacán y proporcionados bajo convenio de colaboración con el IIE. La meta es llevar esta planta de 100 m3 de volumen de reactor a su capacidad de diseño, para lo cual se requieren fondos como el de sustentabilidad energética que han sido solicitados, ya que hasta el momento se opera a un 20% de su capacidad. El financiamiento permitirá determinar su factibilidad técnica y económica y la transferencia de la tecnología.

Hasta el momento, gran parte de las interrogantes sobre los beneficios reales del cultivo del nopal con fines energéticos a través de la producción de biogás, permanecen, por lo que resulta importante continuar con los esfuerzos para llevar a cabo las tareas que han sido pospuestas, y que en buena medida han sido realizadas por la iniciativa privada de los productores de nopal y tortilla de Camémbaro.


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Agradecimientos

Nuestro más sincero agradecimiento por la información, materiales y confianza proporcionada por la empresa “El Manjar del Campo”, al Sr. Rogelio Sosa López y al Maestro Miguel Aké Madera, propietarios de la planta de nopal de biogás de Camémbaro.

Referencias

Aké, M. (2014). El Oro Verde de México, El Santo Grial de las Energías Renovables. México, D.F.

Monografía del Nopal y la Tuna; Dirección General Adjunta de Planeación Estratégica y Análisis Sectorial Dirección Ejecutiva de Análisis Sectorial; Financiera Rural. Julio 2011.

Currículum vítae

José Luis Arvizu Fernández[[email protected]]

Ingeniero Químico por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1980. Investigador de la Gerencia de Energías Renovables del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) desde 1983. Autor de metodologías, procesos y sistemas para la evaluación y transformación energética de los residuos sólidos, aguas residuales y residuos agropecuarios vía procesos térmicos y biológicos. Autor del Inventario Nacional de Emisiones de metano como gas de efecto invernadero sector desechos en 1995, 2000 y 2006. Actualmente es investigador y Jefe de Proyecto. Autor del Inventario Estatal de GEI del sector desechos para el Estado de Puebla. Coautor de los libros: “La Bioenergía en México” y “Cambio climático: una visión desde México”, con el tema: registro histórico de los principales países emisores, así como del “Libro del Maíz” (2010), con el capítulo: biocombustibles derivados del maíz. Coautor y coordinador asociado del libro: “La Bioenergía en México” (2005).

Arvizu, J. L. y Martínez A. M. (1990). Obtención de gas combustible a partir de desechos de frutas y legumbres. Memorias de la 1ª Semana de Ingeniería en Energía y Recursos Energéticos; Universidad de San Luis Potosí.

Murphy, J., Braun, R., Weiland, P., Wellinger, A. Biogas from crop digestion. IEA Bioenergy, Task in 2010-2012 Work Programme.

Vázquez, L. (2011). Nopal, seis veces más rentable que el maíz y frijol: SAGARPA. Publicado en El Universal: jueves 28 de julio. México.


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Aprovechamiento de residuos sólidos urbanos (RSU)

César Alfredo Romo Millares

Abstract

This article describes the status of the utilization of municipal solid waste both in Mexico and internationally. The main technologies and new trends for treatment, conversion and disposal are discussed along with IIE´s experience and views on the subject.

A nivel mundial, el tema de la disposición de la basura urbana es sumamente relevante y se ve desde diferentes ópticas, según sea la situación particular de cada país. Hay países desarrollados, principalmente en Europa, donde se está impulsando la reducción a cero de sus residuales mediante el reciclaje, reúso y conversión térmica, mientras que en otros países, donde hay una mayor disponibilidad de espacios, se sigue confinando la basura en rellenos sanitarios y tiraderos a cielo abierto.

Cada habitante en México genera en promedio 1 kg de basura por día, gran parte del cual se recolecta y dispone a través de los municipios, de acuerdo a sus propios recursos y cuotas establecidas, en sitios que van desde tiraderos a cielo abierto sin ninguna infraestructura, hasta rellenos sanitarios que cumplen con altas especificaciones. Esto significa que más de 100 mil toneladas de basura por día tienen que ser recolectadas, transportadas y, en una gran proporción, confinadas.

Para darnos una idea de lo que este número significa en términos energéticos, asociando el contenido calorífico


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promedio de los RSU, con esta basura podríamos estar alimentando centrales térmicas, con tecnologías de conversión disponibles, con una potencia de 4,000 MW. Sin embargo, el seguir enterrando RSU de la manera como lo hacemos resulta, aparte de un gran desperdicio de energía y contaminación del medioambiente, en una situación de saturación de rellenos sanitarios y la permanente búsqueda de lugares cada vez más alejados a las poblaciones (figura 1).

Sin un adecuado diseño y mantenimiento, los rellenos sanitarios suelen ser altamente contaminantes del medioambiente, llegándose ya a prohibir y/o penalizar en muchos países. Por ejemplo, en Suiza, Suecia, Noruega, Holanda, Austria y Bélgica existe una prohibición expresa para confinar en rellenos sanitaros, residuales que contengan poder calorífico aprovechable. Esto ha propiciado que se desarrollen programas 3R (reducir, reutilizar y reciclar) con altos porcentajes de reciclaje y se fomente la construcción de plantas de incineración con recuperación eléctrica y térmica. Con el mismo propósito, en otros 20 países

europeos se puede ver cómo el gravar impositivamente la confinación de RSU en rellenos sanitarios es una práctica común. Por otro lado en China, ante la falta de espacios para seguir confinando su basura, se ha incentivado la construcción de plantas de incineración con generación eléctrica, pagando el estado una tarifa preferencial por la electricidad generada, del orden del doble de lo que se paga para las plantas que la generan con carbón. Lo que se ve como una premisa fundamental de política en las sociedades más avanzadas es que se ha reconocido que el confinamiento de RSU en rellenos sanitarios no es una práctica sustentable y se están realizando acciones para diversificar sus posibilidades.

Aunque hay un esfuerzo del gobierno de México por establecer una política de gestión de RSU, nuestro país presenta un considerable atraso comparado con países de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE). Según cifras reportadas, contamos con un bajo porcentaje de reciclaje de alrededor del 5%, y un limitado número de rellenos sanitarios que cumplen con especificaciones (196 en el año 2011), sin embargo, se confina más del 30% de los RSU en sitios no controlados y rellenos de tierra. De los 196 rellenos sanitarios, sólo unos pocos tienen la infraestructura adecuada para aprovechar el biogás generado en una planta de generación eléctrica. Evidenciando más nuestro


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atraso, no contamos con ninguna planta térmica de incineración que recupere la energía presente en los RSU, siendo que en el mundo operan más de 1,000 instalaciones de este tipo.

Recuperación de energía de la basura

El desarrollo de un proyecto de recuperación de energía, ya sea eléctrica o térmica, requiere del análisis del tipo y cantidad de residuales urbanos disponibles, del conocimiento de las tecnologías en cuestión para seleccionar la idónea, de identificar el portafolio y récord de operación de los proveedores, de establecer los estudios de factibilidad técnica y económica, y finalmente del conocimiento de la gestión de permisos y trámites ante la autoridad.

A continuación se listan los principales procesos para el aprovechamiento de los RSU.

Compostaje y digestión anaeróbica

La fracción orgánica de los RSU, compuesta principalmente por basura de comida, de jardines y otros materiales similares, aporta alrededor del 50% del total, por lo que procesos de este tipo tienen un alto potencial de aprovechamiento. Si es separada en su origen, la fracción orgánica de los RSU es susceptible de utilizarse en procesos de compostaje o digestión anaerobia para obtener composta y biogás respectivamente. La diferencia entre estos dos procesos consiste en que en el compostaje, la degradación de la materia orgánica se hace en presencia de aire (aerobia), mientras que la digestión anaerobia se realiza en un digestor en ausencia de oxígeno. La composición típica obtenida en el biogás es de 45%-60% de CH4 y 40%-60% de CO2. El biogás se conduce a un paquete de generación que incluye motores de combustión interna, donde se quema generando electricidad en un generador eléctrico acoplado.

Figura 1. Caminando por el R.S. Bordo Poniente, México, D.F e imagen del problema causado por la falta de un R.S. en Cuernavaca.


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Figura 2. Diagrama de una planta de incineración con recuperación de energía.

Tratamiento térmico con recuperación de energía

Waste to Energy (WTE) es el término en inglés que se emplea para los procesos en que se obtiene energía eléctrica o térmica a través del tratamiento térmico (combustión principalmente) de los RSU. La tecnología dominante es la incineración en calderas de parrilla móvil, acondicionadas para quemar los residuales urbanos sin mayor separación y donde el vapor que se genera alimenta, ya sea a un turbogenerador para producir energía eléctrica, o se utiliza para propósitos de calefacción en zonas urbanas (figura 2). A través de este proceso se obtiene una reducción del 80% al 95% en el volumen de los RSU, quedando únicamente cenizas de material inerte que pueden confinarse o utilizarse como insumo en la industria de la construcción.

Hasta hace algunas décadas, la incineración de RSU no era bien vista por la sociedad, ya que no había un control sobre los gases y compuestos tóxicos emanados

de su combustión. Hoy en día, la tecnología de incineración cuenta con un equipamiento muy efectivo en el aspecto de control de emisiones (lavadores de gases, equipo para NOx y filtros de mangas) y está reconocida a nivel mundial como una tecnología amigable con el medio ambiente, segura y eficiente en el aprovechamiento de la energía al utilizar el calor generado por la combustión.

Cabe mencionar que en los últimos años han surgido nuevas variantes tecnológicas a la incineración, que incorporan procesos de pirólisis, gasificación y arco de plasma, que buscan hacer más eficientes los procesos y tener menores costos.


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Figura 3. Central Waste to Energy de Lee County, Florida, Estados Unidos.

Confinamiento en rellenos

Este proceso es el último en la cadena de gestión integral de residuales sólidos urbanos y debería considerarse como la opción menos deseable. De hecho, como ya se mencionó, algunos países desarrollados sólo consideran al material inorgánico no reciclable como el único residual sujeto a confinarse, sin embargo, en países como México donde una gran cantidad de RSU todavía es depositada sin control alguno en tiraderos a cielo abierto, los rellenos sanitarios representan una opción para mejorar la calidad de vida de la población y aminorar el impacto al medioambiente.

El relleno sanitario es una obra de ingeniería diseñada para recibir RSU en un área lo más pequeña posible, que

cuenta con sistemas de captación de gas y lixiviados con el fin de limitar los impactos negativos al medioambiente. Se pueden tener las opciones de colectar y quemar el biogás en antorchas, o aprovecharlo como combustible dentro de un paquete motogenerador y producir energía eléctrica. Éste es el caso de instalaciones que generan energía eléctrica en ciudades como Monterrey, Aguascalientes (figura 4) y Ciudad Juárez.

Algunos aspectos comparativos

Mientras que una planta de incineración recupera de 600 kWh a 800 kWh por tonelada de RSU, en un relleno sanitario se logran recuperar de 50 kWh a 70 kWh por tonelada de RSU. Esto implica que considerando la misma masa de RSU, la tecnología de incineración con recuperación de energía es capaz de producir del orden de diez veces más electricidad que la que puede producir el relleno sanitario en un período de 8 a 30 años.

El tiempo de degradación de los residuos sólidos municipales (RSM) es otro factor importante a considerar, ya que mientras que en la tecnología de incineración el tiempo de degradación es de unos cuantos minutos, para un relleno sanitario toma de 100 a 150 años.

Figura 4. Área de tratamiento de biogás y generación eléctrica. Relleno Sanitario Aguascalientes.


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Finalmente, la tecnología de incineración con recuperación de energía permite recuperar metales, alrededor de 25 kg por tonelada de RSM, mientras que en el relleno sanitario no es posible recuperar nada.

Economía circular

Este es un concepto reciente surgido en Europa, que establece nuevas políticas de sustentabilidad en los procesos productivos y comerciales de la sociedad. En el caso de la gestión de RSU, va más allá de las actuales políticas de “cero residuos”, buscando apartarse del modelo actual de “tomar, hacer y desechar”, migrando hacia un modelo en donde los procesos se encadenan, siendo los insumos de unos los residuos de otros procesos usando energías renovables, de manera que no haya agotamiento de recursos. La aplicación de este novedoso modelo apenas

inicia en países avanzados y para países como el nuestro, permitiría no repetir la historia de los primeros, acortar la brecha que nos separa de ellos y ponernos al día en los últimos conceptos de sustentabilidad.

Capacidades del IIE

El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) ha trabajado en el tema de la bioenergía y los RSU por más de tres décadas, desarrollando los primeros biodigestores para producción de biogás a partir de excretas de ganado, realizando numerosos estudios en el tema de RSU, incluyendo la caracterización de los RSU del país y, últimamente, la elaboración de diversos estudios de factibilidad técnico-económica para la instalación de plantas incineradoras con recuperación de energía. Recientemente elaboró para la Comisión Federal de Electricidad (CFE) una guía de usuario en el tema de generación de electricidad mediante residuos sólidos urbanos.

Conclusiones

Las tecnologías que permiten gestionar la basura en toda su cadena, ya sea para su reciclaje, procesamiento, incineración o confinamiento con recuperación de energía están disponibles, por lo que es urgente que se establezcan programas gubernamentales con una visión hacia el futuro inmediato y se destinen los recursos para adoptar nuevos modelos de gestión y tecnologías de punta.


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Currículum vítae

César Alfredo Romo Millares[[email protected]]

Doctor con la especialidad de combustión por el Imperial Collage de Londres, Inglaterra en 1992. Maestro en Ingeniería Energética por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1987. Master of Science en Termofluidos por el Instituto de Tecnología de la Universidad de Manchester (UMIST) en 1988. Ingeniero Mecánico Electricista por la UNAM, con mención honorífica, en 1984. Su área de especialidad está orientada al tema de la combustión, donde ha participado y dirigido proyectos tendientes a la modernización de equipos de combustión para el sector energético mexicano. Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en agosto de 1984, donde se ha desempeñado como investigador, jefe de proyecto, coordinador de especialidad, y de febrero de 1999 a julio de 2011 como Gerente de Procesos Térmicos. A partir de ese mismo año colabora con la Gerencia de Energías Renovables en las áreas de bioenergía y generación solar fotovoltaica. Ha publicado más de 30 artículos sobre el tema de combustión en revistas y foros nacionales e internacionales.

Dado que el volumen de basura que se genera diariamente tiende a crecer, tanto por el incremento de la población, como por el hecho de que cada vez producimos más basura per cápita, es imprescindible que se tomen decisiones que permitan transformar nuestros modelos de consumo y depredación de recursos hacia modelos sustentables, como el planteado por la economía circular.

Sin duda alguna la brecha de atraso que tenemos se puede acortar, imitando las mejores prácticas de

países industrializados, resaltando que la educación de la sociedad es fundamental para adoptar nuevos modelos de cambio.

Referencias

Romo C., Medrano M. C., Romero H., Arvizu J. L., Huacuz J. y Beltrán J. (2019). Guía de generación de electricidad mediante residuos sólidos urbanos. Documento elaborado por el IIE bajo contrato con CFE. Proyecto IIE 14317.

SEMARNAT. Base de datos estadísticos BADESNIARN 2012.

Dustin B. (2015). Circular Economy Scotland. Green Alliance and Scottish Council for Development and Industry.


80

Producción de gas de síntesis (gasificación de bambú)

Hipólito Romero Tehuitzil

Marco teórico

El gasificador de lecho fijo corriente descendente se alimenta con biomasa por la parte superior del gasificador, para desplazarla hacia la garganta donde se pone en contacto con la mezcla de aire. El combustible y el aire se prenden en la zona de reacción y la flama genera gases de pirólisis que se queman intensivamente dejando de 5% a 15% de carbón, el cual reacciona con los gases descendentes y se produce CO e hidrógeno con valor calórico. Al mismo tiempo, la temperatura va reduciéndose de 1000°C a menos de 800°C debido a la reacción endotérmica y en su parte final el carbón pasa a cenizas y carbón (Reed and Gaur, 2001). La ventaja de un gasificador de flujo descendente es que los compuestos de alquitrán son craqueados al pasar por las zonas de alta temperatura. Así los gases producidos son más limpios y pueden ser usados en motores de combustión interna, sin embargo, también tiene desventajas. La biomasa debe ser previamente secada para ingresar con humedad menor a 20% base seca, para evitar que la temperatura dentro del gasificador disminuya y

Abstract

The gasification of biomass is a promising technology to produce synthesis gas and convert it to electricity. It can be an alternative for rural areas where it does not exist. There is a variety of biomass that can be used to produce synthesis gas. This study is directed towards the gasification of bamboo crops in Mexico. Currently, the study of bamboo as a source of energy is relatively new in the country. This work presents the process variables for the production of synthesis gas in downdraft a gasifier. This project is supported by the Energy Sustainability Fund SENER-CONACYT, 152364.

Artículo técnico

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la formación de alquitranes aumente. El gas que abandona el gasificador sale a temperatura aproximada de 700°C, la cual es muy alta para ser usada en motores, entonces se utiliza un intercambiador para enfriar y el calor residual se puede aprovechar para calentar la corriente de aire o para secar la biomasa del proceso, por ejemplo.

Reacciones de la gasificación

El proceso térmico de conversión de la gasificación de biomasa consiste de las siguientes fases: precalentamiento y secado del material, pirólisis, gasificación y combustión, usualmente modeladas en forma consecutiva y simultánea, por lo tanto no es fácil identificar la frontera donde termina y empieza cada una (Higman and Van Der Burgt, 2008; Raiko et al., 2002; Basu, 2013). Las reacciones de combustión y gasificación se pueden resumir en siete ecuaciones (Basu, 2013; Kristiansen, 1996):

C + 0.5O2 = CO (Ec.1)

C + O2 = CO2 (Ec.2)

C + CO2 = 2CO (Ec.3)

C + H2O = CO + H2 (Ec.4)

C + 2H2 = CH4 (Ec.5)

CO + H2O = CO2 + H2 (Ec.6)

CH4 + H2O = CO + 3H2 (Ec.7)

Las reacciones de la fase gas 6 y 7 son importantes para la calidad final del gas. La ecuación 6 tiene una influencia de la tasa de producción de CO2/H2, la ecuación 7 se relaciona con el incremento del valor calorífico del gas de síntesis (Reed and Gaur, 2001; Higman and Van Der Burgt, 2008). Sin embargo, Higman & Van Der Burgt (2008) establecen que las reacciones 1 y 4 son las más esenciales para la mayoría de los procesos de gasificación.

Desarrollo experimental

La valoración energética del bambú y la simulación del proceso de gasificación se realizaron en laboratorios del


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Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), y las pruebas experimentales se realizan actualmente en un gasificador experimental (figura 1), construido en colaboración de la empresa Bambuver, A. C. en Huatusco, Veracruz.

Localización del desarrollo experimental

El prototipo y pruebas se realizan en Huatusco,Veracruz, donde la altitud del sitio es de 1344 m sobre el nivel del mar, la precipitación pluvial anual es aproximadamente 1825.5 mm, y la temperatura promedio varía de 9°C a 23°C. Estos factores son determinantes en la calidad de producción del gas de síntesis. Por ejemplo, la presión del aire es menor con respecto a condiciones normales y la humedad relativa es muy alta.

Valorización energética del bambú

Para el estudio de este proyecto se consideraron cinco variedades de bambú cultivadas por la empresa Bambuver, A.C. En la tabla se resumen los resultados promedio del

análisis próximo, análisis último y el poder calorífico.

Análisis próximo

El bambú como la biomasa en general, incluye una cantidad significativa de materia volátil dentro de los valores típicamente reportados (70% y 86% peso) (Basu, 2013). Los volátiles pueden convertirse a alquitranes y reducirse durante la pirólisis de gases que fluye a través de la parrilla caliente donde se espera se reduzcan a concentraciones de 0.015 g /Nm3 – 3.0 g /Nm3 (Basu, 2013) para utilizarse en un motor de combustión interna. Las cenizas causan muchos problemas en el gasificador. Los compuestos pueden fundirse y aglomerarse produciendo taponamientos. Usualmente, una concentración aceptable de cenizas es de 5% - 6% (FAO, 1986). El bambú contiene aproximadamente entre 3% - 5% de cenizas y no debería ser un problema si se cuida el proceso de operación.

Figura 1. Prototipo para la gasificación de bambú.

Análisis próximo Análisis último Poder calorífico

Sólidos volátiles Ceniza Carbón final C H O N S PCB PCA(% peso) (MJ/kg)

77.59 3.97 18.4 46.46 5.94 43.52 0.135 0.05 91.74 85.29

Tabla 1. Promedio de la valorización energética de cinco variedades de bambú.

Artículo técnico

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Análisis último

El porcentaje de azufre en bambú es muy bajo, lo cual es bueno porque no producirá compuestos ácidos. El nitrógeno está dentro del rango, pero la cantidad de carbón varía. La diferencia de carbón es la causa de la diferencia en los valores caloríficos de la biomasa.

Poder calorífico

El poder calorífico del bambú se encuentra por debajo comparado con la madera porque contiene menos carbón y más ceniza, sin embargo, es aceptable para un proceso de gasificación.

Variables del proceso

En la tabla 2 se resumen las variables de operación resultado del proceso simulado de gasificación de bambú, utilizando un software especializado, y de resultados reportados por Salovaara et al.

Eficiencia global del sistema

Es definida como el producto de la eficiencia del gas frío (gasificador), la eficiencia del motor y la eficiencia del generador.

La eficiencia del gas frío es una medida de su eficiencia antes de entrar al motogenerador de combustión interna ( = 66.39 %). La eficiencia del motor es 28% de acuerdo con la FAO (FAO, 1986). La eficiencia del

Variable Unidad Resultado

Condiciones de entrada

Humedad de bambú % 15

Flujo másico de bambú kg/h 62.9

Relación ER 0.374

Variables de operación

Tasa aire/combustible (estequiométrico) kg aire/kg bambú 4.62

Tasa aire/ combustible, (real) kg aire/kg bambú 1.73

Entrada de aire kg/h 108.64

Tasa gas/combustible (N)m3 gas/kg bambú 2.53

Flujo de gas de síntesis (N)m3/h 159.44

Relación combustible/electricidad kg bambú/kWh 1.42

Producción eléctrica (motor) kW 45.69

Poder calorífico bajo (gas) kJ/(N)m3 4284.11

Eficiencia del gas frío % 66.39

Composición del gas esperado

CO % 16.36

CO2 % 12.14

CH4 % 0.0015

N2 % 41.18

H2O % 10.09

H2 % 20.23

H2S % 0.00

Tabla 2. Variables de operación para un proceso simulado de gasificación de bambú.


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de gas de síntesis de la simulación del proceso y su utilización en un motogenerador Cummins con la capacidad para producir entre 20 KW a 35 KW.

Agradecimientos

Al Fondo de Sustentabilidad Energética SENER CONACYT, Proyecto 152364, Fideicomiso 2138 y al Instituto de Investigaciones Eléctricas por el apoyo financiero; a Bambuver, A.C., empresa colaboradora del proyecto, y a la empresa Cummins de México por la aportación del motogenerador, y al equipo de colaboradores que hacen posible este proyecto.

Referencias

Reed T. and Gaur S.(2001). A Survey of Biomass Gasification – Gasifier Projects and Manufacturers around the World. 2nd Edition, the National Renewable Energy Laboratory and the Biomass Energy Foundation, Inc. Colorado, USA.

Higman C. and Van Der Burgt M.(2008). Gasification. 2nd edition, Elsevier, USA.

Raiko R., Saastamoinen J., Hupa M, and Kurki-Suonio I. (2002). 2nd improved edition, Gummerus, Jyväskylä.

Basu P.Biomass Gasification, Pyrolysis and Torrefaction. (2013). 2nd edition. Elsevier, USA.

Kristiansen A. Understanding Coal Gasification. (1996). IEA Coal Research, England.

Salovaara J., Romero T., Medrano M. C. and Villamar J. H. (2015). Pre-operational Analysis of a Prototype Downdraft Gasifier Fueled by Bamboo. Journal oy Sustainable Bioenergy Systems, 5, 62-72. Disponible en http://www.scirp.org/journal/jsbs.

generador Cummins, 85% - 86% (Chacón, 2014). Por lo tanto, la eficiencia global del sistema se calcula con la ecuación (8):

ηglobal=ηgasfrío * ηmotor * ηgenerador = 0.6639 * 0.28 * 0.86 = 0.1599

(Ec. 8)

El valor obtenido ( ~16%) se encuentra en el rango reportado en la literatura, entre 13.89% a 20% (FAO, 1986; Garg and Sharma, 2013).

Conclusiones

En general, por su poder calorífico, bajo contenido de ceniza y bajo contenido de azufre, el bambú puede ser una fuente de biomasa adecuada para su conversión a energía, utilizando un gasificador de flujo descendente.

De acuerdo con este estudio, la variedad de bambú Old Hamii Munro y Dendrocalamus Strictus son las más aptas para gasificación. Actualmente se realizan las pruebas experimentales en el prototipo para obtener la producción

Artículo técnico

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Currículum vítae

Hipólito Romero Tehuitzil[[email protected]]

Doctor y Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Química por la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) Iztapalapa. Ingresó al IIE en el año 2000, a la Gerencia de Energías Renovables. Se ha especializado en temas de las energías renovables. Destaca su tesis: “Producción de celdas solares con silicio monocristalino”, para obtener el grado de Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Puebla, estancias sobre tecnologías de biogás y biomasa en la República Popular de China y España. Ha participado en proyectos contratados por gobiernos municipales y estatales, instituciones como la CFE, INE, SENER y CONACYT para la evaluación técnica y desarrollo tecnológico para la generación eléctrica con biomasa.

FAO. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Wood Gas as Engine Fuel. (1986). Mechanical Wood Products Branch, Forest Industries Division, FAO Forestry Department. Forestry Paper 72, Rome, Italy.

Garg, A. & Sharma, M. P. (2013). Performance Evaluation of Gasifier Engine System Using Different Feed Stocks. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, vol. 3, issue 6.


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Soluciones innovadoras en energía

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El IIE brinda asesoría al municipio de Juchitán, en Oaxaca

Instituto Mexicano del Petróleo y el IIE estrechan lazos de cooperación

Con el objetivo de explorar áreas tecnológicas de cooperación y sinergia entre el IMP y el IIE, y plantear escenarios donde puedan trabajar juntos, y compartir experiencias y acciones que se reflejen en propuestas comunes para coadyuvar al éxito de la reforma energética llevada a cabo por el gobierno federal, autoridades del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) y del IIE se reunieron en Cuernavaca, Morelos, el 29 de mayo.

La comitiva del IMP estuvo encabezada por su Director General, Ernesto Ríos Patrón y entre los acuerdos alcanzados en esta reunión destaca la identificación de los temas generales de cooperación y sinergia entre las dos instituciones, entre

ellos: bombas electro-centrífugas; problemática en ingeniería de yacimientos; oportunidades en servicios de ingeniería; ingeniería y servicios durante el ciclo de vida del proyecto; áreas complementarias en la Dirección de Servicios de Ingeniería; comunicaciones; simuladores; gestión integral de procesos, y tecnologías de la información.

Con base en los anteriores marcos de referencia se conformarán grupos de especialistas de las dos instituciones, los cuales trabajarán para desarrollar propuestas de trabajo específicas.

El 11 de junio, el IIE recibió en sus instalaciones a una comitiva integrada por miembros de la Secretaría de Energía (SENER), de la CONUE, de la Subsecretaría de Hidrocarburos, del Municipio de Juchitán de Zaragoza, Oaxaca, y la empresa Cruz Azul, con el objetivo de definir estrategias para el aprovechamiento de la generación de electricidad con recurso eólico en la región.

Saúl Vicente, Presidente Municipal de Juchitán, destacó que su municipio está interesado en incursionar en la generación de electricidad con energía eólica, solar y biomasa, así como la posibilidad de impulsar la creación de un centro de investigación en energías renovables, e implementar un parque eólico para beneficio de los habitantes

del municipio a través de un esquema de beneficio social, por lo que la asesoría del Instituto para llevar a cabo estos proyectos es importante, dada su experiencia y capacidades tecnológicas en la materia.

Una vez habiendo expuesto sus planteamientos, tanto la comitiva invitada como el IIE manifestaron la manera en que habría de concretarse cada una de las propuestas, entre ellas a través de la firma de un convenio de colaboración que habrá de definirse, de tal forma que sea benéfico para ambas partes y logren generar una verdadera sinergia en pro del municipio, del Instituto y por ende del país.

Comunidad IIE

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Proyecto desarrollado por el IIE recibe reconocimiento de PEMEX

IIE capacita a personal de Pemex Refinación

El 10 de junio, Petróleos Mexicanos (PEMEX) reconoció dos proyectos en el marco de las Jornadas Ambientales 2015, uno de ellos fue realizado por la División de Energías Alternas del IIE. Se trata de la “Red de monitoreo de la calidad del aire en el área de influencia del Activo Integral Aceite Terciario del Golfo de Pemex Exploración y Producción, Región Norte (PEP RN)”.

El reconocimiento fue entregado por el Secretario de Energía, Pedro Joaquín Coldwell y por el Director General de Petróleos Mexicanos, Emilio Lozoya Austin, y recibido por Héctor Agustín Mandujano Santiago, Administrador del Activo y por Jesús

Del 15 de junio al 19 de junio y del 6 de julio al 10 de julio, el IIE, a través de las Gerencias de Uso de Energía (GUE), Equipos Eléctricos (GEE) y de su Centro de Posgrado, impartió un curso de capacitación para especialistas del área eléctrica, el cual incluyó temas de análisis de flujos de carga, cortocircuito, coordinación de protecciones y arco eléctrico con software especializado, a personal de la refinería Miguel Hidalgo de Tula de Allende, Hidalgo.

Petróleos Mexicanos (PEMEX) solicitó que el IIE capacitara a su personal con software especializado de última generación y que a su vez fueran tratados los

Beltrán Pérez López, Coordinador del Enlace Operativo de PEMEX.

Alejandro Salcido, investigador de Energías Alternas, fue el encargado de dar a conocer, mediante una conferencia dictada el 12 de junio en el auditorio “18 de Marzo” de PEMEX, aspectos sobresalientes del citado proyecto, destacando el objetivo, los requerimientos nacionales e internacionales para llevarlo a cabo, y los aspectos relevantes del mismo. Cabe destacar que las Jornadas Ambientales que organiza Petróleos Mexicanos, se realizan en el marco del Día Mundial del Medio Ambiente.

temas relevantes a normatividad internacional ANSI/IEEE, referente a las recomendaciones prácticas para plantas industriales. Un total de 23 participantes tomaron este curso de capacitación, el cual se aplica para el análisis de sistemas de potencia que son considerados la parte esencial de la ingeniería conceptual de cualquier sistema eléctrico industrial de energía, tales como refinerías, cementeras, mineras, papeleras, petroquímicas, entre otros. Con este software, el personal de PEMEX podrá realizar tareas de diseño, simulación, operación, control, optimización y automatización de la generación, transmisión, distribución y sistemas industriales de energía.

Boletín IIE, 2015

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El sur del Istmo de Tehuantepec es la zona con los vientos más intensos de la República Mexicana y también es de las zonas que representan un gran reto para los investigadores que pretenden predecir el viento. Esto queda de manifiesto cuando se observa que su comportamiento no puede representarse con una función de dos parámetros, como en la mayoría de los casos, y también porque los modelos, tanto de mesoescala como de microescala, tienden a sobrestimar los valores simulados, sobre todo hacia el sur de los puntos de referencia.

El modelo RAMS se encuentra implementado en los servidores del IIE y con él se han realizado simulaciones de diagnóstico y pronóstico de viento en el Istmo de Tehuantepec. Los resultados que se han obtenido están a la par con los presentados por empresas internacionales dedicadas a esta actividad comercial.

El uso de este tipo de modelos permite generar series de datos de viento confiables, prácticamente de cualquier parte del mundo, tal como si se realizara con una estación instalada en tierra, pero con la ventaja de que se pueden simular períodos hasta de varios años en unos cuantos minutos u horas, dependiendo de la capacidad de cómputo.

Evaluación del recurso eólico en el Istmo de Tehuantepec

Ubaldo Miranda Miranda[[email protected]]

Ramón Lira Argüello [[email protected]]

abril-junioBoletín IIE, 2015

Por la importancia que esa zona representa desde el punto de vista energético, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) ha realizado estudios en esa zona desde hace más de 30 años, para lo cual ha instalado estaciones de medición de viento, primero de una altura de 10 m y posteriormente en torres que llegan a medir 80 m. Actualmente, como producto de estas campañas de medición, se cuenta con bases de datos de cinco estaciones que suman más de 300 meses.

Aunado a lo anterior y tomando como base los datos medidos, el IIE ha venido trabajando en la implementación de modelos meteorológicos para la predicción del viento. Simultáneamente ha experimentado con el Modelo Meteorológico de Mesoescala de Quinta Generación (MM5); la versión actualizada de este modelo, denominado Modelo de Investigación y Predicción Meteorológica (WRF), y el Sistema de Modelación Atmosférica Regional (RAMS).

Breves técnicas

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Comparación del viento simulado con los modelos RAMS, MM5 con los datos observados en el mes de septiembre de 2014 en La Venta, Oaxaca.

Los datos generados con esta técnica tienen diversas aplicaciones, por ejemplo, se emplean para analizar el comportamiento temporal del viento en períodos anuales y con ello determinar la representatividad de períodos cortos de mediciones con estaciones terrenas. También se utilizan directamente para elaborar mapas eólicos regionales de mediana resolución que son útiles para seleccionar sitios óptimos para la instalación de torres de medición, o bien, como insumo para la aplicación de modelos de microescala. El uso más retador es el pronóstico eólico, en él se encuentran trabajando diversos grupos en el mundo, y el IIE no es la excepción.

Boletín IIE, 2015

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Las granjas solares urbanas (GSU) constituyen una opción de autoabastecimiento eléctrico limpio para el usuario residencial o comercial de pequeña escala, con amplios márgenes de viabilidad en nichos específicos de aplicación. En 2012, la Comisión Reguladora de Energía (CRE) instrumentó formalmente esta modalidad de servicio eléctrico en nuestro país, operando bajo el esquema de medición neta.

Las GSU son indicadas para residentes de conjuntos habitacionales urbanos, donde físicamente no es posible o económicamente no es rentable, el uso de sistemas fotovoltaicos individuales.

Una GSU se integra como una fuente colectiva de energía solar fotovoltaica interconectada con la red eléctrica, donde un generador (como lo define la CRE) o usuario adquiere una porción de su capacidad, generando e intercambiando energía con la red de manera proporcional. Por economías de escala, el autoabastecimiento eléctrico mediante una GSU puede aportar mayores beneficios económicos que el uso de sistemas individuales.

A la fecha, el desarrollo de proyectos de GSU en México es incipiente, por lo que se hace necesario emprender esfuerzos institucionales que promuevan esta modalidad de servicio.

Dentro de este contexto, la Subdirección de Distribución de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) contrató

al IIE en 2014, para que a través de la Gerencia de Energías Renovables (GER) se realizara un proyecto dentro del cual, como una de las actividades principales, se incluyó el desarrollo de un simulador económico de GSU para operación en línea y acceso libre.

La metodología de cálculo del simulador GraSolUrb se basa en información de entrada aportada por el usuario, bases de datos y parámetros de referencia preestablecidos. Estas tres fuentes se interrelacionan entre sí para calcular los indicadores económicos que muestran la rentabilidad del caso evaluado y dichos indicadores se reportan en una hoja de resultados.

Los datos de entrada del usuario son los siguientes:

• Información general del proyecto como título, localización, tipo de conjunto habitacional, capacidad de la fuente colectiva, capacidad de la parte proporcional para el usuario evaluado y tecnología de módulos.


Desarrollo de un simulador económico de granjas solares urbanas para la CFEHumberto Rubén Becerra López[[email protected]] M. Consolación Medrano Vaca[[email protected]]

Breves técnicas

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• Datos de consumo eléctrico del usuario, así como la tarifa que paga.

• Parámetros económicos como costo de inversión de la granja, plan económico y plan de financiamiento.

Las bases de datos son las siguientes:

• Factores de planta por localidad• Rangos de consumo eléctrico por tarifa• Cargos por energía para cada tarifa

Los parámetros preestablecidos son valores fijos o variables que son función de los datos de entrada del usuario e incluyen los siguientes datos: costos de operación y mantenimiento, vida útil, costo de reemplazo, área necesaria del arreglo de módulos por kW instalado, factor de degradación anual de los módulos y factor de ajuste mensual del cargo por kWh relativo a la tarifa.

GraSolUrb evalúa el proyecto a nivel usuario calculando lo siguiente:

• Costo nivelado de generación• Ahorro en la facturación eléctrica• Valor de la energía desplazada• Valor presente neto del proyecto• Período de recuperación descontado• Relación beneficio costo

Esta información se muestra en una hoja de resultados que se genera en formato PDF, donde se incluyen los datos de entrada que asigna el usuario para el caso evaluado.

Con la implementación de esta herramienta, la CFE dispone de un medio de evaluación económica de GSU, accesible a los diversos actores clave involucrados –como el desarrollador de vivienda, el integrador tecnológico o el propio usuario. Se espera que el simulador GraSolUrb contribuya de manera importante a la gestación y desarrollo de este tipo de proyectos, en beneficio de la CFE y de la nación.

En su concepto más general, el simulador –identificado por el acrónimo GraSolUrb– es una aplicación de escritorio, la cual está desarrollada en lenguaje C# con WinForms. Esta aplicación utiliza como base de datos un archivo de Excel, el cual descarga de un servidor en internet. La aplicación no requiere de instalación en el equipo, ya que es de tipo on-line, y se ejecuta de manera temporal en el equipo. Únicamente opera para plataformas Windows.

Puede accederse al simulador directamente en el portal web del IIE mediante la liga: http://vmwl1.iie.org.mx/ger/app/

Boletín IIE, 2015

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Monitoreo remoto de aplicaciones vía satélite

Javier Lagunas Mendoza[[email protected]]Raúl Ángel Leal Hernández[[email protected]]Esmeralda Pita Jiménez[[email protected]]

Desde 2004, la Gerencia de Energías Renovables (GER) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) ha venido apoyando a la Comisión Federal de Electricidad (CFE) en el monitoreo remoto de sus estaciones hidrometeorológicas vía satélite.

El IIE brinda soporte técnico a la CFE para asegurar la óptima operación de la red de estaciones con altos estándares de calidad, disponibilidad y confiabilidad. La aplicación desarrollada utiliza modems satelitales, sistemas de adquisición de datos y sensores de reciente tecnología avanzada, con lo cual la operación de la red en el mediano y largo plazo está garantizada, y con la flexibilidad suficiente que permite la incorporación de las nuevas tecnologías.

Nuevas aplicaciones

El desarrollo de la GER para el monitoreo remoto de aplicaciones está siendo utilizado por la CFE en 20 estaciones anemométricas en la zona de La Ventosa, Oaxaca, desde principios de 2015. Por las necesidades

En el periodo 2004 a 2011, la GER integró, instaló y puso en operación una red de monitoreo automático de estaciones hidrométricas y climatológicas para la CFE en todo el país (figura 1).

A la fecha (2015), la red consta de 108 estaciones, las cuales envían información registrada en forma horaria a través de un sistema de satélites comercial. La red de estaciones ha reportado altos índices de confiabilidad y su operación prácticamente no requiere atención de personal de la CFE, por lo que las actividades de mantenimiento se reducen a actividades menores. Muestra de ello son los más de diez años de operación casi ininterrumpida de las primeras estaciones instaladas.

La información de las estaciones se presenta en internet a través de un sitio web desarrollado específicamente para tal aplicación. En la página se despliega información de manera tal, que es posible revisar los datos de las estaciones en diferentes intervalos de tiempo (diarios, semanales, mensuales, etc.), tanto en forma gráfica como tabular.

Breves técnicas

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Figura 1. Acceso a red de estaciones hidroclimatológicas de la CFE (cortesía CFE).

de esta aplicación, el envío de las variables de interés vía satélite se realiza cada media hora, con los registros de información que se generan cada 10 minutos. El monitoreo de las estaciones permite revisar su operación y la de los sensores, para asegurar la disponibilidad de datos y detectar posibles problemas operativos.

Este desarrollo pone de manifiesto la madurez y confiabilidad de la tecnología para monitoreo vía satélite, y permite pensar en su implementación en otros procesos.

Boletín IIE, 2015

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Proyecto planta deshidratadora de chile en el estado de Zacatecas. Integración de colectores de canal parabólicoCarlos Ramos Berumen1 [[email protected]], Juan Rafael Ramírez Benítez1 [[email protected]], José Beltrán Adán1 [[email protected]], Octavio García2 e Issac Pilatowsky2

La planta deshidratadora de chile será un producto, entre otros, de un proyecto titulado: “Estudio sobre el uso de la energía solar en aplicaciones residenciales, industriales y comerciales en diferentes estados del país”, financiado por el Fondo Institucional de Fomento Regional para el Desarrollo Científico, Tecnológico y de Innovación, FORDECyT-CONACYT. Este proyecto es coordinado por el Instituto de Energías Renovables (IER-UNAM) y junto con el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), el Consejo Zacatecano de Ciencia y Tecnología, SECAMPO y las Universidades Autónomas de Zacatecas y Chapingo, forman el consorcio para su ejecución. La planta demostrativa para el deshidratado de chile se ubicará en el estado de Zacatecas y tendrá la capacidad para procesar hasta 4,000 kg de producto fresco cada tercer día, con una humedad inicial supuesta de 70% y una humedad del producto seco final del 14%.

Existen varias formas de calentar aire para lograr el deshidratado, la que comúnmente se utiliza es el calentamiento directo o indirecto del aire a través de combustibles fósiles. La energía solar se plantea como una alternativa de energía limpia e inagotable. Los elementos que constituyen las plantas de deshidratación son: captadores solares, ductos para el transporte de aire y cámaras de deshidratado. Los captadores solares son los

dispositivos encargados de transformar la energía solar en energía térmica, la cual es trasmitida a una masa de aire. En la planta de referencia se utilizará un total de 345 m² de área de colección y contará con tres tecnologías termosolares que abastecerán la energía térmica dentro del proceso de deshidratado. En la figura 1 se puede observar esquemáticamente la distribución de los diferentes componentes de la planta deshidratadora.

La parte innovadora de esta planta será la utilización de dos tecnologías termosolares: una, la de colectores planos para calentamiento de aire (CaSolAire), desarrollada por el IER-UNAM, cubriendo un área de 125 m2. Cabe destacar que el CaSolAire está constituido por una superficie metálica (2.5 m2) provista de una capa de material absorbente de la radiación solar y cuyo interior está formado por canalizaciones cuyo objetivo es aumentar el área de intercambio térmico y tener una mejor

1Instituto de Investigaciones Eléctricas2Instituto de Energías Renovables (UNAM)

Breves técnicas

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distribución del aire. La cubierta transparente consiste en un vidrio templado que refleja la radiación infrarroja emitida por la superficie absorbedora. Las superficies del fondo y las laterales se recubrieron con un aislante térmico en forma de placa de espuma de poli-isocianurato de alta resistencia mecánica. La figura 2 muestra un prototipo del mismo.

La segunda tecnología sería la de canal parabólico desarrollada por el IIE y que sería su tercera incursión en aplicaciones prácticas, además de ser ya un producto transferido a la industria. La tecnología de canal parabólico es nombrada así por su perfil en forma de parábola (superficie reflejante) y en cuyo foco se concentra la energía solar. El concentrador solar se diseñó con materiales que se pueden encontrar en el mercado nacional y está formado en secciones que forman los módulos que son acoplados en función de los requerimiento del proceso. Cada sección tiene una longitud de 3.69 m de superficie reflejante y de 2.74 m de apertura, teniendo así 10.1 m² de colección de energía por sección. El foco se encuentra a 80 cm de altura de la superficie reflejante e inicia su funcionamiento a 30° de inclinación. Tiene un movimiento programable y se adecua a las necesidades del proceso mediante un software de control diseñado y patentado por el IIE. En la figura 3 se muestra el canal parabólico compuesto por cuatro secciones a emplearse y cubrirá un área de 120 m2. Adicional a estas tecnologías se emplearán captadores solares planos (100 m2).

El túnel de deshidratado será como se muestra en la figura 4, donde se aprecia su interior con sus espigueros para soportar las charolas de producto fresco-seco.

Figura 1. Esquema de la distribución de componentes de la planta deshidratadora.

Figura 2. Colector CaSolAire.

Figura 3. Canal parabólico.

Figura 4. Túnel de deshidratado.


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ResumenIndustrial sector of Mexico is the second energy consumer, approximately 28% of the national consumption, according to the National Balance of Energy. A potential study carried out within the micro and small food and textile industries has established that they are using 68% of the total energy consumption as thermal energy, most supplied by liquefied gas and followed by natural gas and diesel. The processes use water and low pressure steam mainly at temperatures from 60 to 180 ºC. In this context, solar concentrators, especially parabolic troughs, could give an important portion of the required thermal energy. The introduction in the country of a strategy change in the use of the energy is a formidable challenge. Beginning in the country with the erection of small parabolic trough plants in such industries could allow a technical and economic evolution of the technology and the benefits could be presented almost immediately. The methodology for the potential assessment for solar process heat applications in food and textile industries was based on the statistics from the National Balance of Energy, the National Directory of Economic Units and together with questionnaires, phone calls, workshops and in some cases personal interviews. According to such considerations, three scenarios were established and will be described within this paper in terms of the potential of the parabolic trough technology applied in the appropriated industries.

Article originally published in Volume 49C, 2014, Pages 1879-1884 of Energy Procedia, Elsevier, 2014.

Potential assessment in Mexico for solar process heat applications in food and textile industriesCarlos Ramos Berumen, Juan Rafael Ramírez Benítez y José Beltrán Adán

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/). Final manuscript published as received without editorial corrections. doi: 10.1016/j.egypro.2014.03.199

Artículo de investigación

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Keywords: Solar concentrators; Parabolic trough collectors; Industrial Process heat; Investment costs

Introduction

Mexico’s economy is strongly dependent on the energy sector. Abundant oil not only serves as fuel to power the economy, but also as a source of income for investment in social and economic development. However, the current energy policy of the country emphasizes the need for a more diversified energy portfolio, as a means to enhance future energy security and to avoid further environmental degradation. An interesting area where the energy is consumed at high levels is the industry. Mexico´s industrial sector is the second energy consumer, approximately 28% of the national consumption, according to the National Balance of Energy (2009) [1,2]. The industry of the transformation normally uses thermal energy inside its process; the conventional path to obtain such energy is commonly burning fossil fuels. At the international context potential studies performed in the past have identified that approximately between a 40 and 60% of that energy is dedicated for process heat and 30% of that heat is used to temperatures between 80 and 250 ºC. Particularly in Mexico a potential study carried out within the micro and small food and textile industries has established that they are using 68% of the total energy consumption as thermal energy, most supplied by liquefied gas and followed by natural gas and diesel [3]. The processes use water and low pressure steam mainly and the temperature

requirements range from 60 to 180 ºC. The increase in the price and the eventual depletion of the fossil fuels outline the necessity to look for other forms of obtaining energy. An alternative form to avoid environmental degradation and to postpone the use of the fossil fuels is the use of the solar energy and particularly the concentrated solar energy. At the present day the concentrating solar technologies present an excellent potential to the electric power production and industrial process heat applications [4]. Among solar thermal concentrating technologies, parabolic trough is one of the most promising for both electrical and process heat production. In this context, the parabolic troughs, could give an important portion of the required thermal energy. In an industrial facility the parabolic trough solar system coupled to the conventional system of heat supply could make in several points like: direct joining to a specific process or the warm-up of water and even more steam generation. The introduction in the country of a strategy change in the use of the energy is a formidable challenge. Beginning in the country with the construction of small parabolic trough plants in such industries could allow a technical and economic maturation of the technology and the benefits could be presented almost immediately. The results documented in this paper could facilitate the application of solar thermal energy in the industrial sector.


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Parabolic Trough Technology

At the present time Concentrating Solar Technologies (CST) are the most efficient and cost-effective way to generate electricity from the sun with a high potential of excellent application [4]. CST technologies are usually classified in three different concepts: towers, dishes and troughs. Tower system uses numerous two axis tracking mirrors called heliostats to concentrate sunlight onto a central receiver on the top of a tower. Dish system use parabolic dish concentrator to concentrate the light of the sun on a focal zone, reaching the highest concentration ratios, where a Stirling engine can be placed to generate electricity. Trough system use parabolic trough-shaped mirror reflectors linearly concentrate sunlight onto receiver tubes, heating a thermal transfer fluid which is then used to produce superheated steam and then used to generate electricity in a conventional turbine steam. Several hundreds of megawatts of CST capacity could be brought on-line within a few years and make an important contribution to the energy needs of the world [4]. Even though, the current tendencies of the CST present an excellent potential to the electric power production could be very interesting option to the process heat for industrial uses. Among solar thermal concentrating technologies, parabolic trough technology is one of the most promising in such sense. Parabolic troughs are made by bending a sheet of reflective material into a parabolic shape, see Fig. 1. A metal tube covered with a glass tube to reduce heat losses is placed along the focal line of the parabola. The solar energy is absorbed in a working fluid (heat-transfer

oil, water or steam), which is then piped to a central location to produce electricity or simply heat to be used in an industrial process. Because the parabolic trough will reflect only direct-beam sunlight, it uses single-axis tracking system to keep it facing the sun. The Parabolic trough is the most mature technology to generate heat at temperatures up to 400 °C for solar thermal electricity or process heat applications. For testing purposes and for demonstration of the parabolic trough technology several prototypes have been developed by the Instituto de Investigaciones Electricas [5]. Each prototype includes a parabolic trough concentrator, mounted on a one-axis tracking structure. Anodized aluminum sheet with a solar reflectivity of 90% was used as reflective material. These prototypes were installed in different places and provided a lot information concerning to the operation and maintenance activities and the identification and establishment of mechanisms of collaboration with national industry to involve them in the technological development of parabolic trough components.

Fig. 1. Parabolic trough Prototypes.


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Solar Resource

For the thermal energy generation the fuel becomes an important factor and it determines the economy of the plant. The cost of the different fossil fuels constitutes a fundamental factor for the taking of decision on the localization of a conventional plant, in case of the parabolic trough system the “fuel” is free of cost. Solar energy in Mexico is an abundant resource distributed over the national territory. In general the knowledge of the renewable energy resources in the country is scarce, imprecise and of little benefit to promote their massive application, such is the case of solar radiation. However, many efforts have been carried out by different institutions in order to have better databases based on models that use monthly global horizontal radiation values (10 year average) and generating stochastically hourly Direct Normal Irradiance (DNI). The Instituto de Investigaciones Electricas using a Geographical Information System (GIS) prepared a database generated from most advanced modeling tools with input data from covering sky of satellite images [6]. Detailed exploration of the country to identify state by state the levels of average DNI (kWh/m2-year) was carried out. The analysis showed areas in the country with DNI levels between 2157 and 2800 kWh/m2-year at the northwest, central north and Yucatan peninsula.

Areas of DNI between 1750 and 2156 kWh/m2-year include portions of the central and southeast portions, and areas with less than 1750 kWh/m2-year constitute relatively little territory, corresponding portions of the states of: Veracruz, Oaxaca and Puebla.

Industrial Sector

The Mexican industrial sector of the country is the second energy consumer according to the National Balance of Energy 2009 [1]. The Production of Primary Energy was of 9853 PJ where the industrial sector consumed 28% of that energy being equivalent to 1284 PJ and it includes all the productive processes. The most intensive industrial branches in their majority correspond to the big industries of the country. In the Table 1 the type and quantity of the fuel consumed by the different industries are shown. The group of industries that compose the most intensive consumes near 60% (768PJ) of the total consumption of the industry.

The item “other branches” consumed 40% (515 PJ) of the energy of the sector and correponds to the less intensive industries as: food, textile, wood, leather, ceramic products, among others. Of the 515 PJ, 49.9% corresponded to demanded electricity by the industries (257 PJ), this electricity later on is transformed in great measure to mechanical energy for specific uses and inclusive in many cases to thermal energy. The rest (258 PJ) corresponds to the consumption of fuel used by the less intensive industry inside their productive processes and associates. These processes include thermal energy, electricity autogeneración and fuels as inputs to the interior of their processes. The energy consumed by the industrial sector is based on the fossil fuels, with a marginal contribution of renewable energy (0.31 PJ) and its participation is located in the item of other branches.

Coal Trash of cane

Coal Coke

Oil Coke

Liquefied Gas Diesel Fuel

oil Dry gas Electricity Total

Total sector 5.49 87.32 40.81 129.44 39.49 51.75 84.07 478.7 365.77 1283.6

Intensive industry 5.42 83.99 40.81 96.22 6.81 29.79 58.24 338.37 108.43 768.08

% 98.72 96.19 100.00 74.34 17.24 57.57 69.28 70.69 29.64 59.84

Other branches 0.52 3.33 33.23 32.67 21.97 25.85 140.32 257.35 515.55

% 9.47 3.81 0.00 25.67 82.73 42.45 30.75 29.31 70.36 40.16

Table 1. Energy consumption of the Mexican industrial sector, 2009 (PJ).


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Methodology for the potential assessment

For this study only the potential is contemplated for the item other branches, see Table 1, where they are habitually classified the micro and small industry, excluding the intensive industry, generally with temperatures above the 300 °C. The methodology for the estimation of the potential for solar process heat applications in food and textile industries was based on the statistics from the National Balance of Energy published by the Energy Secretariat of Mexico, the National Directory of Economic Units issued by the National Institute of Statistics and Geography and together with questionnaires, phone calls, workshops and in some cases personal interviews with managers [3]. By means of statistics analysis and information gathered, three scenarios were established as follows:

• Industrial theoretical potential; potential in the whole less intensive industry that uses heat inside their productive processes considering that only 68% are using thermal energy. Also it is assumed that fuels used are: natural gas (9.2%), fuel oil (0.3%), diesel (2.5%) and liquified gas (87%), being excluded coal, trash cane, oilcoke and oil coke. An average of DNI of 2000 kwh/m2-year is assumed and also an average efficiency of the parabolic trough of 50%.

• Industrial technical potential; potential in the less intensive industry that uses process heat but only considering micro and small industries of the food and textile branches (11505 micro and 5667 small industries). Other assumptions are similar to the theoretical potential, except that fuel used by these industries is liquified gas so that is the most popoular (87%) at 15.8 USD/GJ.

• Feasible technical potential; potential in the less intensive industry that uses process heat, only considering micro and small industries of the food and textile branches, deduced from 50 answers received from contacted and strongly interested industries.

Industrial theoretical potential

This potential was estimated assuming that only 28.5 PJ of the energy industrial consumption which correspond to the less intensive branches could be used for the installation of solar concentrating parabolic trough technology, see Table 2.

This assumption is based on the first approach of the introduction of small solar fields which are more appropriated so that solar concentrating parabolic trough plants would find application niches. It was also assumed that all industries possess portion of land available that would be covered with mirrors. Applying a yearly average value for solar radiation, a theoretical potential of around 6 million sq m of solar field area was obtained and investment of 1540 million USD, see Table 3. Nevertheless, these figures, although impressive, only proves that on the side demand, industries requiring thermal energy, land availability and the level of solar radiation (>2000 kWh/m2-year) are not limits to the generation of solar industrial process heat in Mexico.

Industrial technical potential

In this case all the micro and small industries (food and textile) were considered, assuming that they only consume liquefied gas (87% of the industries use this fuel) and 68% as thermal energy inside the processes where solar concentrating parabolic trough technology would substitute or simply backup the local boiler. In this scenario, the energy demand of 12.2 PJ (11505 micro and 5667 small) equivalent to useful energy of 2710 GWh per year could be covered by 2.7 million sq m of parabolic trough with investment about 650 million USD, see Table 4. These kind of industries usually invest in the purchase of fuel around of 153 miilion USD.

Feasible Technical Potential

In this scenario only micro and small industries of the food and textile


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branches, deduced from 50 answers received from contacted and strongly interested industries were considered. Also is assumed that the companies would receive heat from solar energy (2920 hours of solar operation). Based on those considerations the following results were obtained. Total collection area of 75084 m2 was obtained and the thermal power generated by the total solar field was 45051 kWt equivalents to 131.54 GWh/year. The total energy generated during the year would ascend to 0.47 PJ equivalents to 1.5 times of the energy consumed at the moment by the whole industry using as source the solar energy (0.31 PJ). The total cost of investment for the installation of the systems would ascend to 17 million USD. The industries taken in account invest in fuel near 7.5 million USD per year being the liquified gas the fuel of more use. Based

Fuel Demanded energy (PJ) Process heat energy (PJ) Factor use (%) Final energy process heat (PJ)

Diesel 21.97 14.94 2.50 0.37

Liquified gas 32.67 22.22 87.00 19.32

Natural gas 140.32 95.42 9.20 8.77

Fuel oil 25.85 17.58 0.30 0.053

Total 220.81 150.15 28.53

Table 2. Fuels used by “other branches”.

Fuel Final energy process heat (PJ) Useful thermal energy (PJ) Useful thermal Energy (GWh) Colector Area (Mm2)

Diesel 0.37 0.296 82.2 0.082

Liquified gas 19.32 15.456 4,293.2 4.293

Natural gas 8.77 7.016 1,948.2 1.948

Fuel oil 0.053 0.041 11.5 0.0115

Total 28.53 23.184 6,335.82 6.335

Table 3. Parabolic trough collection area.

on the investment in solar equipment and annual payment in the purchase of fuel, the average period of simple capital recovery is approximately 2.3 years. It was not possible to really obtain a financial economic study because the companies were very cautious in the type of information that they provided.

Conclusions

In this paper the current situation of the Mexican energy sector was described. Also industries with more potential for implementing the parabolic trough technology were identified. Classification of industries of the country allowed an estimation of the market potential for solar process heat applications. An analysis based on the information published by the Mexican Energy Secretariat and other within the energy sector shows that the market potential for a segment of the industrial sector could be ascend to 0.47 PJ equivalent to 1.5 times of the energy consumed at the moment by the whole industry using as source the solar energy (0.31 PJ). At this segment the implementation of the parabolic trough technology could be through small installations runing from several square meters to a hundred square meters useful thermal energy useful for productive activities. However, the

Industry Total fuel cost (M USD) Demanded energy (PJ)Useful thermal energy

(GWh)Collector area

(Mm2)Solar investment

(M USD)

Micro 110.4 7.02 1,558.72 1.55 374.09

Small 81.6 5.18 1,151.59 1.15 276.38

Total 192 12.20 2,710.32 2.71 650.4

Table 4. Industrial technical potential.


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economics of the CST in general, is not yet attractive under the schemes currently prevailing in Mexico for the valuation of alternatives for energy generation. The perspective could change in the next years if it is possible to materialize projects that are under negotiation with the industry and actions supported by the government in terms of the regulatory framework so that renewables and especially solar energy have better opportunities for application.

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge the financial support provided by

Económicos 2004, Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática, Mexico

[3] Potencial de Aplicación de las Tecnologías Termosolares a Concentración para la Generación de Calor de Proceso en la Industria de Alimentos y Textil, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. México 2011.

[4] SolarPACES web page, http://www.solarpaces.org

[5] Ramos, C. et al, Second Generation of a Parabolic Trough for Industrial Process Heat. SolarPACES 2010.

[6] Sistema de Información Geográfica para Energías Renovables, Gerencia de Energías No Convencionales, Instituto de Investigaciones Electricas, Mexico. http://genc.iie.org.mx/genc/index2.html

the National Council of Science and Technology (CONACYT) and the Energy Secretariat of Mexico (SENER) through the Funding Sector “CONACYT-SENER-Energy Sustainability” project No. 119739. Also, we would like to thank the Instituto de Investigaciones Electricas for the additional support within this research project.

References

[1] Balance Nacional de Energía 2008, Subsecretaría de Energética y Desarrollo Tecnológico, Dirección de Planeación Energética, Secretaría de Energía, Mexico 2009

[2] Micro, Pequeña, Mediana y Gran Empresa. Estratificación de los Establecimientos. Censos

Currículum vítae

Carlos Ramos Berumen [[email protected]]

Maestro en Energías Renovables por la Universidad Internacional de Andalucía, España. Ingeniero Industrial Mecánico por el Instituto Tecnológico de la Laguna.

Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas en 1980. Su área de especialidad se relaciona con las plantas termosolares para generación de electricidad y calor de proceso industrial. En 1981 realizó una especialización técnica en receptores solares en Alemania. En 1984 fue comisionado por el IIE para participar en las pruebas de diseño, construcción y operación de un receptor central enfriado por aire, en Almería, España. En 1987 realizó una estancia sobre la operación y mantenimiento de un estanque solar en la Universidad de Texas, Estados Unidos. Ha impartido cursos de energía solar tanto en México como en el extranjero, ha organizado eventos de carácter internacional representando al IIE, así como autor de varios artículos en congresos nacionales e internacionales y de patentes otorgada y en trámite. Es representante de México ante el “Acuerdo de Implementación Solar PACES”, de la Agencia Internacional de Energía.

Juan Rafael Ramírez Benítez [[email protected]]

Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica con opción en Energética por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) en 1998. En ese mismo año realizó su tesis de Maestría en el área de combustión de la Gerencia de Procesos Térmicos del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Ingeniero Industrial Mecánico con opción en Térmica, por el Instituto Tecnológico de Puebla en 1994. Entre 1999 y 2001 trabajó como profesor-investigador en la Universidad Tecnológica de Puebla. A partir de 2001 ingresó al IIE, especializándose en energía termosolar, donde ha participado en actividades relacionadas con proyectos para la demostración de la tecnología de canal parabólico para producción de calor de proceso y la tecnología de plato parabólico para generación de electricidad. Ha participado en la identificación de las características técnicas necesarias para la implementación de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red. Cuenta con experiencia práctica en la operación de equipos termosolares, mediante la participación en proyectos de colaboración con otros países como Francia. Ha participado en diversos congresos nacionales y es miembro de la Asociación Nacional de Energía Solar

(ANES) de México. Ha dictado diversas conferencias en universidades y tecnológicos del país, y ha participado en la organización de eventos internacionales.

José Beltrán Adán [[email protected]]

Maestro en Mecatrónica por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), México. Ingeniero Mecánico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (UAEM). Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 2009. Su área de especialidad se relaciona con el desarrollo de la tecnología termosolar a concentración. Su actividad principal se enfoca al desarrollo técnico de prototipos termosolares, desde su concepción hasta la generación de ingeniería de detalle en aspectos mecánicos y de control del seguimiento solar. Actualmente trabaja en la implementación de la tecnología termosolar en procesos industriales y como apoyo en el desarrollo de la Máquina Eólica Mexicana (MEM). Es autor de varios artículos nacionales e internacionales y ha participado en diversos congresos nacionales.

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