En esa sección se describirá de manera somera las características principales de las distintas tecnologías para el aprovechamiento de las energías renovables, su situación actual y su potencial en México.
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Las turbinas eólicas transforman la energía cinética del viento en energía mecánica, ya sea para mover directamente una máquina, tal como una bomba de agua o un molino de granos, o bien para impulsar un generador eléctrico. Las tecnologías de turbina más comunes en la industria son las de eje horizontal (ver ilustración) y las de eje vertical; las primeras resultan más eficientes para aplicaciones industriales como granjas eólicas ubicadas en zonas rurales con grandes disposiciones de terreno; sin embargo, para ambientes urbanos las turbinas de eje vertical están tomando importancia debido a que requieren una menor área de instalación, generan menos ruido y se pueden acoplar a otros usos como alumbrado público y anuncios publicitarios.
Las turbinas eólicas abarcan un gran rango de potencias dependiendo de su uso y se les puede hallar desde los 400 W hasta más de 7 MW. Las turbinas de mayor tamaño están destinadas principalmente a granjas eólicas marinas.
En el transcurso de las últimas dos décadas la tecnología de las turbinas eólicas ha avanzado radicalmente y sus costos se han reducido hasta hacerse competitivos con las tecnologías convencionales en contextos geográficos donde la densidad de potencia del viento, su dirección y su permanencia permiten una generación con factores de planta superiores al 20%.
Existen dos tecnologías para la generación de electricidad a partir de la radiación solar: la fotovoltaica (PV) y la de concentración solar (CSP). Las celdas fotovoltaicas transforman directamente la radiación solar en electricidad por medio de un fenómeno físico denominado efecto fotovoltaico. Las celdas fotovoltaicas se pueden utilizar en conexión con la red eléctrica o bien en sitios aislados, por medio de sistemas que incluyen baterías.
Como se puede apreciar en la figura, la tecnología de silicio amorfo, Thin Film, puede resultar más conveniente en zonas geográficas con una menor irradiación solar directa o, análogamente, con una mayor irradiación solar difusa; esto se debe a la orientación multidireccional de su estructura cristalina. Las zonas con mayor irradiación solar difusa se caracterizan por tener mayores partículas dispersas en la atmósfera como aerosoles, smog y las de agua que forman las nubes. De manera adicional, en zonas donde la temperatura ambiental a lo largo del año es muy alta, digamos superior a los 35°C, esta tecnología presenta una pérdida en potencia generada aproximadamente 50% menor a la de su contraparte de silicio en obleas. El rendimiento de un módulo Thin Film oscila entre 6 y 8%..
Las tecnologías de silicio en obleas, Si-PV, incluyen tanto las estructuras monocristalinas como policristalinas y tienen un rendimiento mayor (12% y 16%, respectivamente) en zonas con alta irradiación solar directa y requieren áreas de instalación aproximadamente 40% menores a las de los sistemas Thin Film; por otra parte, existen nuevas y prometedoras tecnologías de paneles fotovoltaicos que trabajan bajo el principio de concentración de la irradiación solar directa en celdas de obleas cristalinas de alta eficiencia; estas tecnologías, denotadas por sus siglas en inglés como CPV incluyen, para su buen funcionamiento, seguidores solares en 1 o 2 ejes y presentan ventajas de costo y disminuyen sustancialmente el área con sombra permanente permitiendo otros usos del terreno como la agricultura.
Las tecnologías de concentradores solares de potencia, CSP, resultan óptimas para instalaciones con capacidades superiores a los 50MW y con una componente de irradiación solar directa alta; en estas centrales la radiación solar calienta un fluido que en su estado de vapor sobrecalentado mueve una turbina y pone en marcha un generador eléctrico. El calentamiento del fluido se hace, por lo general, por medio de dispositivos ópticos que concentran la radiación solar, logrando altas temperaturas, del mismo modo en que con una lupa se puede quemar un pedazo de papel. Una de las versiones de esta tecnología consiste en espejos parabólicos que concentran la radiación solar en un tubo en el cual circula un fluido (véase la Ilustración), mientras que en la otra versión un conjunto de espejos concentran la radiación en una torre denominada torre solar.
Las centrales de concentración solar tienen la ventaja adicional de que pueden permitir, mediante inversiones adicionales, almacenar la energía en forma de calor, de manera que es posible generar electricidad aún cuando no hay radiación solar. Ambas tecnologías, la fotovoltaica y la de concentración solar, se han desarrollado aceleradamente en los últimos años alcanzando eficiencias de más de 30%.
Como conclusión, resulta importante que al seleccionar el tipo de tecnología PV o de CSP para una aplicación específica se consideren las ventajas y desventajas en sus características técnicas relacionadas con los factores geográficos y climáticos de la zona de instalación y con los costos de inversión, instalación y mantenimiento de los sistemas.
De acuerdo a la LAERFTE la energía hidráulica se considera una fuente de energía renovable; sin embargo, para efectos de esta misma ley, quedan excluidas las centrales de generación hidráulica superiores a los 30 MW, por lo que respecta a México, todas las centrales menores a esta capacidad no se consideran grandes hidroeléctricas y las menores a 10 MW se consideran minihidráulicas. La idea detrás de esta separación, consiste en los impactos ambientales acumulativos que genera la construcción de grandes centrales debido a la necesidad de inundar cañones y redirigir cuencas cambiando o destruyendo parcial o totalmente sus ecosistemas.
Las tecnologías de turbinas hidráulicas aprovechan la energía cinética del agua en cauces naturales o artificiales para inducir el movimiento de un generador eléctrico. Las modalidades de generación principales incluyen la acumulación de energía en forma potencial por medio de una represa con sus compuertas en la sección inferior de la cortina, el desvío parcial de un cauce de río en zonas con un gradiente de altura aprovechable o el aprovechamiento directo o natural a flor de cauce.
Existen tres tipos principales de turbina para diferentes características del flujo del recurso hídrico:
Turbina Pelton. Gran caída y bajo caudal.
Turbina Francis. Media caída y medio caudal.
Turbina Kaplan. Baja caída y gran caudal.
A pesar de que las turbinas hidráulicas se utilizan, por lo general, para la generación de electricidad, también pueden aprovecharse para impulsar directamente maquinaria industrial. Por otra parte, existen otras tecnologías que aprovechan la energía del agua para aplicaciones de pequeña escala tales como el bombeo de agua o el molido de granos; algunas de estas tecnologías son las ruedas hidráulicas y las bombas de ariete.
Los costos de estas tecnologías son completamente competitivos con las tarifas de electricidad siempre y cuando los sistemas tengan una conexión directa a las cargas donde se utilizará la energía eléctrica o una conexión cercana a una línea de transmisión.
En el panorama nacional de la minihidráulica se puede dividir en centrales públicas y privadas que se encuentran en operación y/o las que por alguna causa, están fuera de servicio. Actualmente se cuenta con 22 centrales privadas, 12 en operación, 2 inactivas y 8 en construcción, con permisos otorgados por la Comisión Reguladora de Energía con una capacidad instalada en operación de 83.5 MW, así como 31 centrales públicas en operación de la Comisión Federal de Electricidad con una capacidad de 270 MW. De estas últimas, sólo dos han sido construidas después de 1967: la central “Colina”, ubicada en San Francisco Conchos, Chihuahua, con una capacidad instalada de 3 MW y la central “Ixtaczoquitlán”, ubicada en Ixtaczoquitlán, Veracruz, con una capacidad instalada de 1 MW42. Asimismo, la extinta Luz y Fuerza del Centro contaba con 11 instalaciones minihidráulicas de carácter público, que suman una capacidad de 23.4 MW.
La bioenergía en sus distintas formas se puede aprovechar en aplicaciones térmicas, para la generación de electricidad o para la producción de biocombustibles líquidos para transporte.
Por lo que se refiere a las aplicaciones térmicas, las tecnologías más usadas en México son los fogones tradicionales de leña, utilizados para cocción y para calefacción en viviendas rurales y de pequeñas ciudades. Asimismo, la leña se utiliza en microempresas y en pequeñas industrias para la producción de cerámica, ladrillos, pan y otros productos.
En las últimas décadas se han desarrollado distintos modelos de estufas y hornos de leña mejorados con el fin de reducir los impactos en la salud que provoca el humo de los fogones tradicionales, así como reducir el consumo de leña.
La biomasa se utiliza además en varias aplicaciones industriales: la energía contenida en productos de biomasa o derivados de la biomasa tales como el bagazo de caña, el licor negro, el biogás y distintos residuos agrícolas y agroindustriales son utilizados en industrias por medio de calderas y otras tecnologías para la producción de calor y, en algunos casos, electricidad.
Finalmente, la biomasa se utiliza para producir biocombustibles en varios países encabezados por Brasil, Estados Unidos y Alemania. Los principales biocombustibles son el bioetanol (alcohol etílico) y el biodiesel. Ambos se pueden mezclar en proporciones pequeñas (de menos del 10%) con gasolina y diesel, respectivamente, sin necesidad de hacer adaptaciones en los motores de vehículos modernos. El bioetanol se puede producir a partir de cultivos de azúcar (como la caña, la remolacha y el sorgo dulce), cultivos feculentos (como el maíz y la yuca) y materiales celulósicos. El biodiesel, por su parte, se elabora a partir de diferentes especies oleaginosas, tales como palma de aceite, piñón (jatropha) o colza.
La geotermia o calor de la corteza terrestre se aprovecha por medio de la perforación de pozos donde se capta a través de tuberías el vapor sobrecalentado por las cámaras magmáticas para hacer girar una turbina e impulsar un generador eléctrico o bien para aplicaciones térmicas como calefacción de interiores, balnearios y procesos industriales o agroindustriales. Existen cinco tipos de recursos geotérmicos, y cada uno está asociado con tecnologías específicas para su aprovechamiento: (a) hidrotermales, (b) roca seca caliente, (c) geopresurizados, (d) marinos y (e) magmáticos. Los primeros son los que se explotan actualmente en México y en otros países, mientras que los otros cuatro se encuentran en proceso de investigación y desarrollo; en el caso específico de los recursos de roca seca caliente, ya existen tecnologías comerciales y se encuentran en crecimiento.
Los recursos geotérmicos o hidrotermales se dividen a su vez en recursos de alta o de baja entalpía. Los primeros se pueden utilizar para la generación de electricidad por su alto contenido de energía calorífica, mientras que los segundos se utilizan normalmente sólo para aplicaciones térmicas.
Los océanos poseen una cantidad enorme de energía, varios estudios y análisis estiman que esta cantidad oscila alrededor de los 5000 GW de potencia instalada de generación para su aprovechamiento, aunque evidentemente sólo resulta factible aprovechar una porción de esta energía. La idea de aprovechar la energía de los mares formalmente data de 1890, cuando ciertos científicos europeos, principalmente franceses, desarrollaron varias ideas y patentes respecto a diferentes tecnologías para su uso (Charlier et al., 1993) y (Charlier, 1982).
De manera esquemática las energías oceánicas se originan a partir del viento, los cambios de temperatura y densidad de las masas de agua en diferentes regiones de la Tierra y por las fuerzas de atracción gravitacional entre la Tierra, el Sol y la Luna, principalmente; por esta diversidad de formas en que encontramos las energías del mar, se han desarrollado tecnologías para aprovechar cada una de ellas, mismas que se clasifican de la siguiente manera: energía mareomotriz, undimotriz, de corrientes marinas y maremotérmicas.
La energía mareomotriz se origina por la diferencia de altura en el ascenso y descenso del nivel del agua del mar. En las centrales mareomotrices se construye un dique para retener el agua del mar al momento del ascenso de la marea, al pasar el agua por el dique mueve las hélices de un grupo de turbinas (flujo, marea entrando) y éstas al girar mueven un generador que produce la energía eléctrica. Cuando la marea baja el agua retenida se libera y se vuelven a mover las hélices de las turbinas (reflujo, marea saliendo).
Existen diversas configuraciones de sistemas con energía mareomotriz dependiendo de la forma en que se aprovechan el flujo y el reflujo; a continuación se enuncian y describen brevemente las mismas:
-Mono embalse
Las centrales mareomotrices de este tipo se pueden operar, cuando la marea está entrando (flujo), cuando está saliendo (reflujo) y con la combinación de los anteriores. En la primera la energía eléctrica se produce cuando el agua entra del mar hacia el embalse, cuando llega al nivel máximo se cierran las compuertas, produciendo el giro de las hélices de las turbinas; en la segunda, al descender la marea se abren las compuertas y el agua del embalse sale hacia el mar moviendo las turbinas; en el tercer caso, la energía se genera por el movimiento continuo de las turbinas por la salida y entrada del agua del embalse.
El inconveniente en el uso de un solo embalse es que la generación de la energía eléctrica no es continua, esto debido a que para poder hacer pasar la corriente de agua por las turbinas debe haber una pequeña diferencia entre el nivel del agua dentro y fuera del embalse y en este caso el nivel que se tiene es el mismo.
-Doble embalse
Para este tipo de central el arreglo que se tiene consiste en dos embalses separados por un dique en el que se instalan las turbinas y los generadores. Para producir energía eléctrica al momento de subir la marea el agua entra al embalse superior por las compuertas, el agua pasa por las turbinas y pasa al segundo embalse, cuando la marea baja el agua es liberada por el embalse inferior, dependiendo del volumen de agua en el embalse y la potencia instalada se tiene un desnivel que permite la generación de energía la mayor parte del tiempo.
A pesar de que se puede obtener mayor energía con el esquema de mono embalse la generación no es continua por lo tanto se recomienda el uso de doble embalse para las centrales mareomotrices de tal manera de obtener una generación más firme.
Tecnologías de generación
Para la generación de energía eléctrica mediante la energía mareomotriz se usan principalmente tres tipos de turbinas:
Turbina de bulbo, instalada junto con el generador en el conducto por el que pasa la corriente de agua.
Turbina tubular, se conecta al generador que se ubica fuera del conducto por donde circula el agua.
Turbina de rotor anular, en este caso el generador está integrado alrededor de los álabes de la turbina.
Energía de las olas o undimotriz
La energía undimotriz aprovecha el movimiento de las olas, generadas por el viento al pasar sobre la superficie del mar. Mediante el movimiento de las olas se pueden instalar sistemas en la costa o flotantes para la generación de energía.
Sistemas Flotantes
-Boyas
Se colocan boyas flotantes en el mar que al subir y bajar, por el movimiento de las olas, mueven una turbina conectada a un generador con el que se produce energía eléctrica.
-Pelamis
Consta de una serie de secciones cilíndricas sumergidas que al moverse por las olas activan un sistema hidráulico en el interior del aparato para bombear aceite por medio de motores hidráulicos acoplados a un generador para la producción de energía eléctrica. Sistemas en la costa
-Columna Oscilante
Consiste en una cavidad llena de aire y parcialmente sumergida en donde al llegar la ola el aire interior es comprimido y desplazado al exterior haciendo girar una turbina y activando un generador. Cuando la ola se va, la cavidad vuelve a llenarse de aire repitiendo el proceso consecutivamente. Pueden instalarse en estructuras móviles, fijas o flotantes.
-Canal Cerrado
Se construyen un canal en la costa por el cual, al entrar la ola, es conducida a un canal de reserva, se deja salir el flujo de agua del segundo canal y este pasa por una turbina tipo Kaplan para posteriormente devolver el agua al mar.
Corrientes Marinas
Este tipo de energía se obtiene por la diferencia de temperatura entre el agua superficial y profunda del mar, la diferencia de temperaturas hace que se muevan las masas de agua en donde la de mayor temperatura es menos densa e intercambia su posición con la de menor temperatura produciendo una corriente marina.
Para aprovechar esta fuente de energía se anclan turbinas por medio de tensores o cables en el fondo del mar y a través del impulso de las corrientes marinas en los álabes se consigue el movimiento de rotación. Para la obtención de esta energía se requieren corrientes que fluyan a una velocidad superior a los 2.5 m/s.
Actualmente se utilizan diferentes tecnologías para obtener la energía de las corrientes marinas; las principales son las siguientes:
Turbinas axiales: su eje es horizontal y se colocan en la misma dirección del flujo de agua.
Turbinas verticales: el flujo de las corrientes se recibe en forma transversal; al recibir el flujo se mueve un conjunto de palas verticales que giran sobre el mismo eje.
Tuberías: por medio de la succión provocada por las corrientes se hacen girar turbinas conectadas a generadores ubicados fuera del agua.
Maremotérmica
La radiación solar incidente sobre los océanos y mares origina una diferencia de temperatura entre el agua superficial y profunda de los océanos; la primera de estas capas, la superficial de mayor temperatura, puede actuar como una fuente de calor y la segunda capa, la profunda de menor temperatura, puede fungir el papel de reservorio refrigerante; la combinación de estas capas permite la generación de electricidad bajo ciclos termodinámicos convencionales con turbinas de baja presión.
Para la producción de electricidad mediante energía maremotérmica se utilizan los siguientes tres sistemas:
-Sistema de ciclo abierto
En una central maremotérmica de ciclo abierto el agua de la superficie entra a una cámara de vacío en un evaporador, por lo tanto el agua hierve a la temperatura de entrada, el vapor que se produce entra y mueve las hélices de una turbina acoplada a un generador para producir energía eléctrica; posteriormente el vapor llega a un sistema de enfriamiento en donde se utiliza el agua de las profundidades para condensar el agua.
-Sistema de ciclo cerrado
Por el contrario a una central de ciclo abierto se utiliza un fluido de trabajo de bajo punto de ebullición, el cual se evapora al calentarse por la transferencia de calor del agua superficial del mar hacia el fluido; posteriormente el agua fría de las profundidades se pasa por un condensador por el que circula el fluido de trabajo para volverlo líquido nuevamente.
-Sistema Híbrido
En este sistema se combinan los dos anteriores; primero, el agua superficial entra al evaporador y el vapor generado se utiliza para evaporar el fluido de trabajo de bajo punto de ebullición y con éste se mueve r la turbina acoplada al generador. El enfriamiento se vuelve a realizar con las aguas profundas.
Las centrales maremotérmicas se pueden instalar en la costa o en plataformas flotantes; actualmente ya se han instalado centrales maremotérmicas aunque la mayoría ya no están en funcionamiento, como la central de Japón en la Isla Nauru (100 MW), en Hawai la Mini-C.E.T.O (50 MW) y la OTEC 1 (1 MW), la C.E.T.O 1 en el Caribe (1 MW) y en la India (1 MW).
