situación y prospectiva de la energía solar · energía solar, un recurso inagotable. a solar, un...
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Universidad Nacional Autónoma de México Centro de Investigación en Energía
Claudio A. Estrada GascaAarón Sánchez Juárez
Seminario sobre la situación actual y prospectiva energética en
México y el Mundo
Comisión Nacional de Seguridad Nacional y Salvaguardias
México D.F. 5 de agosto del 2009
Situación y Prospectiva de la Energía Solar
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Contenido
Porqué Energía Solar?El Recurso solar y su potencial energético en
MéxicoLa Conversión FotovoltaicaTecnología fotovoltaica y su perspectiva de usoTecnologías fototérmicasConclusiones
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Realidades Realidades
•
El 73% de la electricidad en México es producida con combustibles fósiles.
•
La demanda y los consumos de energía van en aumento
•
El pico de la producción de hidrocarburos convencionales a nivel mundial ya se alcanzó
o se
alcanzará
en los próximos años
•
El uso de hidrocarburos genera gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático.
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¿Con cuáles fuentes energéticas se puede plantear la diversificación energética y enfrentar el agotamiento de los yacimientos de combustibles fósiles que permitan la conservación del medio ambiente para un desarrollo sustentable?
Futuro de la energFuturo de la energíía en el mundo y en Ma en el mundo y en Mééxicoxico
1 TW = 1012
W : 1,000 Complejos GPE de 1,000 MW cada unoFuente: Renewable in Global Energy Supply IEA 2004
Capacidad instalada
Capacidad requerida
15 TW2008
30 TW205015
TW
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www.cie.unam.mxFuente: Renewable in Global Energy Supply IEA 2004 y Ren21 2009.
Potencial aproximado de las energPotencial aproximado de las energíías renovables as renovables en el mundoen el mundo
0.0135 TW60 TW600 TWSolar
2.53 TWAprox. 70 TWApro. 676 TWTotal
0.121 TW2 a 4 TW50 TWViento
0.054 TW0.6 TW12 TWGeotermia
1.4 TW5 TW7 a 10 TWBiomasa0.9 TW0.7 TW4.6 TWHidráulica
Capacidad instalada(2008)
Técnicamente factible
Potencia global teórica
0.845 TW10 TW17.5 TWNuclear
1 TW = 1012
W : 1,000 Complejos GPE de 1,000 MW cada uno.
Solar 60 TW
EnergEnergíías Renovables: Potencialas Renovables: Potencial
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40 N
35 S
EnergEnergíía Solar, un recurso a Solar, un recurso inagotable
La energía solar recibida cada 10 días sobre la Tierra equivale a TODAS las reservas conocidas de petróleo, carbón y gas.
El 70% de la población del planeta vive dentro de la denominada “Franja Solar”.
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Calor de Proceso
Fotosíntesis
Combustibles Electricidad
Fotovoltaico
H O2
sc M
e
sc
e
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CO
Azucar
H O
O2
2
2
2
Una estrategia de ConversiUna estrategia de Conversióónn
Unión semiconductor/líquido
O2 H2
Conéctate al Sol
captador
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Tecnologías Desarrolladas
Fotovoltaica Fototérmica
ELECTRICIDAD CALOR DE PROCESO
BAJA TEMPERATURA
MEDIATEMPERATURA
ALTA TEMPERATURA
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Potencial: Chihuahua 18,873 GWeSonora 14,030 GWe
Total 32,903 GWeCapacidad instalada nacional 49 GWCapacidad instalada nacional 49 GWee
Con el 0.14% de la superficie de estos estados (604 km2), se podría generar todo el consumo eléctrico nacional
Energía Solar: Potencial Recurso promedio Recurso promedio
diario anual: diario anual: 5.0 kW5.0 kW--hr/m2hr/m2
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EnergEnergíía solara solar
Recurso solar: 5,000 W-h/m2
Electricidad: ¿Con qué?
Segura, de larga vida, Confiable
Tecnología fotovoltaica
ConversiConversióón Fotovoltaican Fotovoltaica
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Adaptado de:
EE
ConversiConversióón Fotovoltaican Fotovoltaica
Transformación Directa de Luz a Electricidad
El Binomio de Generación de Energía Limpia
Energía solar
Tecnología FV
EnergEnergíía Verdea Verde
Eficiencia en celdas solaresEficiencia en celdas solares
Superficie de 1m x 1 m
Pi= 1,000 Watts/m2
PP= Generación de
150 Watts
Módulo FV con15 % eficiencia
Eficiencia = PP / Pi
25ºC
Eficiencia en celdas solaresEficiencia en celdas solares
Superficie de 1m x 1 m
Pi= 1,000 Watts/m2
PP= Generación de
150 Watts
Módulo FV con15 % eficiencia
Eficiencia = PP / Pi
25ºC
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Potencial de GeneraciónRecurso solar diario:
5.0 kW-hr/ m2 Eficiencia de Módulos FV’s:12%
Cuadrado de 10 m de lado
GeneraciGeneracióón de Energn de Energíía: a: ~~50.0 kW50.0 kW--hr al dhr al dííaa
10 Deptos. 10 Deptos.
Tecnología fotovoltaica
Segura, de larga vida, Confiable
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Aplicaciones
FUERA DE LA REDFUERA DE LA RED CON LA REDCON LA REDCarga CD
Batería
CargaAcond.InversorCD/CA
Carga CA
InversorCD/CA
Red CARed CA
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Ejemplos a replicarSERVICOS COMUNITARIOS EDUCACIÓN
AGUA PARA ABREVADEROS
SERVICOS DOMÉSTICO
BENEFICIO SOCIAL
Costo por Watt: $ 8.00 – 14.00 US dollar
Sistema instalado
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Interconexión a la red
GeneraciGeneracióón propia de energn propia de energíía y Aportacia y Aportacióón de electricidad a la redn de electricidad a la red
Contrato de Interconexión a la red: Resolución RES/176/2007 Comisión Reguladora de Energía, Publicada en el Diario Oficial de la Federación el 27 de Junio de 2007, Primera Sección.
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Fomento en MFomento en Mééxicoxico
Mexicali, BCVeracruz, Ver
GeneraciGeneracióón propia de energn propia de energíía y Aportacia y Aportacióón de electricidad a la redn de electricidad a la red
PolPolíítica actualtica actualContrato de interconexión a la red bajo el
esquema de medición netaDeducciones fiscalesDel orden de 20 MW instalados
Electrificación Urbana
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Si no hay luz solar, No hay GeneraciSi no hay luz solar, No hay Generacióón. n.
CaracterCaracteríísticas de la generacisticas de la generacióónn
El tipo de electricidad es Corriente DirectaEl tipo de electricidad es Corriente Directa
No hay costos asociados a combustiblesNo hay costos asociados a combustibles
El proceso es limpio sin ruidoEl proceso es limpio sin ruido
Necesidad de almacenamiento de energNecesidad de almacenamiento de energííaa
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Ventajas y DesventajasVentajas y Desventajas
Ventajas:Ventajas:De aplicación:
No contaminante, bajo mantto.
Económicamente rentable para sitios alejados de la red.
Tecnológicas: Es modular, de gran duración (más de 20 años), fácil adopción
Desventajas:Desventajas:De aplicación: Energía generada depende del RS, desconocimiento de su uso
Tecnológicas: Generación intermitente, requieren almacenamiento, Baja densidad energética,
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BarrerasBarreras
EconómicasBajo precio de los energéticos convencionalesInversión inicial alta y tasa de retorno largaCarencia de Incentivos económicos: subsidios,
créditos, fiscales
Tecnológicas Desconocimiento de la tecnología y Carencia de
recursos humanos Desconocimiento de la normatividad eléctrica
RegulatoriasCarencia de una legislación para el aprovechamientoCarencia de normatividad sobre la tecnología
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Compromisos nacionales para reducción de emisiones de GIPrivilegio de las ER`s para el abastecimiento de
electricidad mejorando clima, ambiente y sustentabilidad.Ahorro en el costo energético a largo plazoCarencia de recursos fósilesDiversificación energética con programas de apoyo a
I&D+i Remuneración por la venta de excedentes a la redFomento en el medio rural, urbano, y grandes plantas de
generación (MW’s)
Fuente: www.bee-ev.de/uploads/EEG
Acciones y Factores que han impulsado la industria FV en otros países
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Países que han impulsado FV (2007)
Fuente: A. Jager-Waldau; PV Status Report 2007; (2007) EUR 23018 EN
Alemania: Subvención, fomento fiscal empresarial, 3,060 MW instalados
ÚSA: California con su millón de techos; 101 MW
Japón: Sunshine project; 285 MW; 11 Empresas y un agresivo programa de I&D+i
Comunidad europea: Alcanzó 3.0 GW instalados Ejemplo: España con 60.5MW; 5 empresas
China: 42 MW; 40 empresas Sur Korea 25 MW; 55 c€/kWh;
programa de 100,000 casas y 70,000 comercios p/2012
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Consecuencia del fomento (2007)Fuente: David E.
CarlsonBP solar
2008: $4.95
Comportamiento del precio de venta
Retos: Materiales y dispositivos absorbedores; Diseños eléctricos, térmicos, y mecánicos; óptica de concentración: económicos y con mejor eficiencia/rendimiento
Producción 2008: 7,910 MWProducción 2007: 4,279 MW
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ConversiConversióón Fototn Fototéérmicarmica
Diferentes tecnologías
Planos
Tubos evacuado
Rangos de temperatura
Baja: 25ºC a 80ºC
Media: 60ºC a 100ºC
Alta: >100ºC
Colectores solares
Cilindro-parabólicos
Tubo Absorbedo r
Tubería fluido térmico
Espejo curvado
Concentración
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Sector Industrial
Proceso Temperatura[°C]
Alimentos y bebidas SecadoLavadoPasteurizadoEvaporaciónEsterilizaciónTratamiento térmico
30 - 9040 – 8080 – 11095 – 105
140 – 15040 – 60
Industria Textil LavadoBlanqueadoSecado
40 –8060 – 100
100 – 160
Industria Química VaporDestilaciónVarios procesos
95 – 105110 – 300120 - 180
Otros sectores Precalentado de agua
Calor de proceso
30 – 100
30 – 80
Necesidad de Calentamiento de agua para procesos industriales
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Tecnologías baja temperatura
COLECTOR SOLAR PLANO TUBOS EVACUADOS
ESTUFAS Y HORNOS SOLARES
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Tecnologías
Colector plano de cobre cubiertoRango: 40ºC-80ºC
Colector flexible de plástico sin cubiertaRango: 25º-50ºC
Colector tubo evacuado con termotanqueRango: 60ºC-90ºC
Eficiencia térmica: 40 a 80 %
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Aplicaciones: Sistemas fototérmicos
SIN CONCENTRACIÓN
Calentamiento de Agua sanitaria, albercas, tinas de hidroterapia, viviendas, hoteles, etc.
Agua caliente para procesos industriales
Secado de productos agropecuarios y forestales
Purificación de agua
Tratamiento de aguas residuales por fotólisis
Cocción de alimentos
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Solarfocus, Austria
AoSol, Portugal
1,12 – 1,7 x
Acceptance angle: 37 – 56°
Colectores de media temperatura
Colectores de Canal parabólico (CPC)
Calentamiento de Agua para Procesos Industriales
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SOLITEM, GermanySOLITEM, Germany
IIE, MexicoIIE, Mexico
Calentamiento de agua para Procesos IndustrialesDesarrollo de Tecnologías
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www.cie.unam.mxReceptor Central
Receptor Central
Helióstatos
Cilindro-parabólicos
Tubo Absorbedor
Tubería fluido térmico
Espejo curvado
Fresnel Lineal
Tubo absorbedor y reconcentrador
Espejo curvado
Discos parabólicos
Receptor/Motor
Reflector
Hora solar
Desdealmacén Suministro
directo solar
A almacenamiento
Desde almacén
Potencia constante
E. T
érm
ica
a tu
rbin
a
Hora solar
Apoyofósil Suministro
directo solar
Apoyo fósil
Potencia constante
E. T
érm
ica
a tu
rbin
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TecnologTecnologíías para Potencia Tas para Potencia Téérmicarmica
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TecnologTecnologíías para Potencia Elas para Potencia Elééctrica Tctrica Téérmicarmica
Los concentradores son análogos al combustible en los sistemas
convencionales y los recibidores son el quemador del sistema
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La construcción de Nuevas Plantas ha iniciado de nuevo
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PenetraciPenetracióón de la energn de la energíía solar termoela solar termoelééctrica en ctrica en el mercado. Todavel mercado. Todavíía en la curva de aprendizajea en la curva de aprendizaje
I+DSubven.Demo
IEA SSPS, CESA-I
SOLAR ONE
SOLAR TWO
PrimasCalifornia
2700kWh/m²a
SEGS-ISEGS- II
SEGS VIII-IX
PreciosVerdes
I+D yfase de-
mostración
MercadoPrimas
California
MercadosPrimas
Europeos
MercadosVerdesElectricidad
AndaSol 1
AndaSol N
Solar TresPS10 Próximas
generaciones tecnológicas
Nueva entrada en mercado
PrimasEspaña2000 kWh/m².a
1980 1990 2000 2010 2020
Cos
to d
e ge
ner
ació
n s
olar
en
c€
/kW
h
15
25
50
8
100
Objetivo: 15 GW en 2020 y 6-8 c€/kWh
Europa: La nueva oportunidad de mercado
11.0MWe
Heliostat Field
Solar receiver
Steam Storage System
40 bar, 250ºC»Steam
Drum
Turbine
Heliostat Field
Steam Storage System
Steam
Condenser0,06 bar, 50ºC
SteamDrum
Turbine
11.0MWe
Heliostat Field
Solar receiver
Steam Storage System
40 bar, 250ºC»Steam
Drum
Turbine
Heliostat Field
Steam Storage System
Steam
Condenser0,06 bar, 50ºC
SteamDrum
Turbine
PLANTA PS10: Generación directa de vapor
VAPOR SATURADO
•Conservadurismo termodinámico
•Factor de capacidad limitado
•Penaliza O+M del bloque de potencia
KJC plants
Turbina de vapor
Condensador
Precalentador de presión baja
Desaireador
Sobrecalentador
Precalentador solar
Recalentador solar
Generador de vapor
Tanque de expansión
Depósito desal caliente
Colectores Solares
Depósito desal fria
Almacenamiento de dos tanques de sal
6 horas de 6 horas de almacenamiento almacenamiento ttéérmicormico
AndaSol: El reto de introducir almacenamiento en plantas de aceiAndaSol: El reto de introducir almacenamiento en plantas de aceite te
••3600 horas3600 horas••IntegraciIntegracióón n circuito y almaccircuito y almacéén n de salesde sales
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Solar One en NevadaSolar One en Nevada
"Nevada Solar One" planta termosolar en el Estado de Nevada (USA), 2007
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Solar One en NevadaSolar One en Nevada
"Nevada Solar One" planta termosolar en el Estado de Nevada (USA)
Generales:
Compañía ACCIONA EnergyCapacidad 64 MWeInversión 250 M $USDTiempo de construcción 16 mesesCapacidad de producción 134 millones de kWh/año
Características Técnicas:
Area: 1.3 millones de m2Longitud de concentradores cilindrico parabólicos
76 Km
No. de espejos 219,000Temperatura del Fluido 400 °C
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Estado de desarrollo de las tecnologEstado de desarrollo de las tecnologíías solaresas solares
Tecnologías maduras
Fotovoltaica: Silicio cristalino y amorfo
Fototérmica: Calentadores solares planos
Tecnologías en rápido crecimiento comercial
Captadores solares tubo evacuado
Fotovoltaica: Películas delgadas CdTe y CIGS
Concentración solar térmica de mediana temperatura (promisorias expectativas)
Tecnologías en desarrollo
Concentración solar de potencia
Nuevos materiales fotovoltaicos
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Potencial: Chihuahua 18,873 GWeSonora 14,030 GWe
Con el 0.14% de la superficie de estos Estados se podría proporcionar la demanda nacional de electricidad.
Capacidad Instalada: 49 GWe
Potencial de la EnergPotencial de la Energíía Solar en Ma Solar en Mééxicoxico
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¿Son competitivas las tecnologías de ER?
Mercado Mundial de las ER
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10 20 30 40 50Generación eléctrica Costos en cent$US/ kWh
Mini-hidráulica
Solar Fotovoltaica
Concentración Solar
Biomasa
Geotérmica
Eólica
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• La energía solar es una alternativa de diversificación energética para México y su desarrollo sustentable.
La Energía Solar es un recurso muy abundante en el país que pueden contribuir a satisfacer la demanda energética de manera sustentable tanto de las ciudades como del campo.
Las tecnologías solares son limpias y su uso masivo garantizarían la disminución de los GEI.
El país cuenta con los recursos humanos capaces de generar investigación y desarrollo para apropiarse las tecnologías solares y promover una industria nacional.
Ello implicaría la creación de algunos cientos de miles de nuevos empleos.
Conclusiones 1
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• Para garantizar el desarrollo sustentable del país el estado mexicano debe comprometerse con una visión a largo plazo del aprovechamiento de la Energía Solar.
Se deberán generar las políticas, los marcos legales, los incentivos económicos y los fondos de financiamiento para el desarrollo masivo de las Tecnologías Solares en el país.
En el caso del sector eléctrico es indispensable un régimen especial basado en tarifas garantizadas para la alentar la generación distribuida con Tecnología Fotovoltaica.
Se tiene que desarrollar un plan nacional estratégico a corto, mediano y largo plazo, para el aprovechamiento integral de la Energía Solar en México.
El CONACYT debe impulsar la I&D+i en tecnologías basadas en la Energía Solar.
Conclusiones 2
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Gracias