Estado de arte de las energías alternas
La energía alternativa es un sinónimo para energía limpia, energía verde o energía renovable. Se consideran alternativas todas aquellas que provienen de recursos naturales y de fuentes inagotables, todas aquellas que, al producirlas, no contaminan.
Tipos de energías
- Bioenergía
- Eólica
- Geotermica
- Mareomotriz
- Solar
- Hidroeléctrica
- Hidraulica
Bioenergía
La bioenergía es la energía que se obtiene de materiales orgánicos de origen biológico y ha sido utilizado como combustible a lo largo de toda la historia de la humanidad. La biomasa es el material orgánico de origen biológico más importante y es producida por las plantas al sintetizar luz, agua y CO2 mediante el proceso de fotosíntesis, en el que la energía solar queda almacenada en enlaces químicos, que a su vez puede ser liberada en forma de biocombustibles mediante procesos como la combustión, la digestión, la descomposición o bien mediante su hidrólisis y fermentación. Otras fuentes de materiales orgánicos de origen biológico han sido los residuos de los animales particularmente el estiércol y los desechos de las sociedades humanas como la basura en su componente orgánica. En la actualidad, si bien los aprovechamientos tradicionales de la biomasa y los residuos mantienen su importancia como combustibles en comunidades rurales y urbanas principalmente de los países en desarrollo, gracias al desarrollo de nuevas tecnologías y al empleo de procesos y métodos más eficientes todos los materiales orgánicos hoy por hoy se revelan como combustibles comerciales alternativos en sectores tan diversos como el residencial, comercial, de transporte e industrial, que producidos bajo criterios de sustentabilidad pueden ofrecer importantes cantidades de energía renovable con emisiones de cambio climático neutras. Los materiales orgánicos de origen biológico proporcionan según su origen y procesamiento, energía técnicamente útil y factible de aprovechar desde el punto de vista económico en las tres formas físicas, a saber, sólido, líquido y gaseoso; lo cual le confiere a la bioenergía las características de un recurso energético universal, limpio y de gran alcance si se aprovecha su capacidad de regeneración y se plantea su producción con criterios de sustentabilidad ambiental, energética, social, rural y económica. Debido a estas características la bioenergía puede contribuir de manera importante a sustituir las fuentes de energía fósil y nuclear. La bioenergía da lugar a los siguientes energéticos, los cuales se obtienen generalmente a través de diversos procesos de transformación del material biológico desarrollados ex profeso por el ser humano. Biocombustibles, como la leña, residuos forestales, carbón vegetal, y desechos agrícolas como la paja, bagazo y otros. Estos energéticos tienen amplio uso en la cocción de alimentos, el calentamiento de agua, la producción de electricidad en turbinas de vapor y la producción de calor industrial y electricidad. Además, se puede obtener de ellos gas de pirólisis que se usa como energético en motores de combustión interna. Biocarburantes, como los aceites vegetales puros, los residuos de aceite de cocina, los aceites vegetales esterificados (biodiesel), el alcohol (etanol carburante), los cuales se emplean en motores Otto y Diesel para poner en marcha automóviles, autobuses, camiones de carga, o para producir electricidad y calor en generadores y trabajo mecánico proveniente de su uso en motores industriales. Estos energéticos líquidos actualmente provienen a nivel mundial de una amplia variedad de cultivos como son la caña de azúcar, el maíz, el betabel, colza, la soja y la palma de aceite, entre otros, pero en un futuro corto provendrán de otros cultivos como la higuerilla, la Jatropha así como de los residuos de aceite de cocina y residuos agroindustriales, de material lignocelulósico provenientes de plantaciones energéticas forestales y de cultivos de microalgas. Biogás, que es el metano, producto de la fermentación de residuos orgánicos de los bosques, campos agrícolas y de los desechos de animales de crianza como vacas, cerdos, borregos, cabras, caballos y aves. Asimismo, este producto energético se puede obtener de la basura a través de su producción en rellenos sanitarios. El metano cuando es extraído se emplea entonces para producir ya sea energía térmica, mecánica o eléctrica. Por otro lado, el hidrógeno, combustible gaseoso, también puede ser obtenido transformando residuos orgánicos o bien mediante procesos fotobiológicos .
Datos de consumo en México
El potencial de la bioenergía en México se estima entre 3,035 PJ/año y 4,550 PJ/año lo que representa el 54-80% de la oferta interna bruta de la energía primaria consumida en México en el 2002. Destacan especialmente el potencial energético de la biomasa proveniente del manejo y explotación de los bosques naturales, de las plantaciones forestales, de los subproductos agrícolas y de los cultivos energéticos. Pese a este importante potencial, en el país solamente se explota la bioenergía en su versión más tradicional, esto es usando la leña como combustible residencial y de pequeñas industrias, así como en el bagazo de caña en ingenios.
Energía Eólica
La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia las adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión. Los vientos son generados por el calentamiento no uniforme de la superficie terrestre proveniente de la radiación solar; sólo entre el 1 y 2% de esta energía incidente se convierte en viento. Esta energía ha sido aprovechada desde la antigüedad para impulsar barcos a velas o para hacer funcionar molinos al mover aspas conectadas a su maquinaria. Actualmente, la energía del viento se aprovecha en máquinas eólicas (aerobombas, aeromotores y aerogeneradores), capaces de transformar la energía cinética en mecánica de rotación, ya sea para accionar directamente máquinas de tracción o para la producción de electricidad. En este último caso, el sistema de conversión (que comprende un generador eléctrico, normalmente un alternador, con sus sistemas de control y de conexión a la red) es conocido como aerogenerador. Para mejorar la rentabilidad de estos sistemas, en parte asociada al carácter discontinuo del recurso eólico, y para obtener mayor potencia, suelen instalarse en grupos denominados parques eólicos. Estos pueden instalarse en espacios no aptos para otros fines, como son zonas desérticas o próximas a la costa, en laderas áridas y muy empinadas para ser cultivables; también pueden convivir con otros usos del suelo, como prados ganaderos o áreas de cultivos bajos.
Datos de consumo
A finales del 2008 la capacidad mundial instalada era de 121,188 MW, entre los países que más destacan encontramos a Estados Unidos cuya capacidad instalada representó el 21% (25,170 MW), Alemania el 20% (23,903 MW), España el 14% (16,740 MW) y China el 10% (12,210 MW).
En México actualmente se cuenta con 163.3 MW instalados, La Venta II con 83.3 y Parques Ecológicos de México con 80 MW MW, ambos en Oaxaca) y la Asociación Mexicana de Energía Eólica proyecta que podría haber por lo menos 3,000 MW para el 2014, la gran mayoría a ubicarse en el Istmo de Tehuantepec en Oaxaca.
Energía Geotérmica
Todos los procesos geodinámicos que suceden en la Tierra son controlados por la transferencia y generación de calor en su interior. La energía geotérmica es referida como el calor natural que se encuentra almacenado en el interior de la Tierra. Esta energía térmica puede ser transportada hacia la superficie a través de la roca mediante la extracción o inyección de fluidos, dependiendo del tipo de sistema geotérmico a explotar. Estos fluidos al interaccionar con la roca caliente adquieren condiciones de presión y temperatura elevadas, lo que finalmente favorece la producción de grandes cantidades de agua muy caliente o vapor. El contenido energético del fluido geotérmico depende de muchos factores, pero principalmente del intercambio de calor con la roca circundante, la cual es continuamente calentada por la fuente primaria de calor (o también conocida como cámara magmática) que existe en la parte más profunda del sistema geotérmico15. El flujo de calor total que fluye constantemente del interior de la Tierra hacia la superficie se estima en ~42 Tera-Watts (TW), del cual, 19% proviene de la corteza, 76% de manto y 5% del núcleo16. La mayor contribución de energía procede de la desintegración de isótopos radiactivos de vida larga (235U, 238U, 232Th y 40K) presentes en el manto, los cuales al decaer generan continuamente una inmensa cantidad de calor. La conductividad térmica de las rocas (o capacidad de conducción de calor), al ser muy baja, hace que el flujo de calor terrestre perdure cientos de millones de años para agotar completamente este recurso endógeno. Las propiedades renovables del flujo de calor y los largos tiempos geológicos requeridos para su agotamiento, hacen que la geotermia sea considerada como una fuente de energía y casi inagotable, si se explota en forma sostenible.
Datos en México
La evaluación del potencial geotérmico disponible en México, por ser una tarea muy compleja aún no está resuelta. En la actualidad sólo se explotan Sistemas Hidrotermales Convectivos de vapor y líquido dominante, con los cuales la Comisión Federal de Electricidad (CFE) ha logrado adquirir experiencia tecnológica para explotar los recursos en los campos geotérmicos identificados. Actualmente se tiene una capacidad instalada de 965 MWe (~2.0% de la capacidad efectiva total del país), a través de la explotación comercial de cuatro campos geotérmicos: (i) Cerro Prieto, Baja California con 720 MWe (75%); (ii) Los Azufres, Michoacán con 195 MWe (20%); (iii) Los Humeros, Puebla con 40 MWe (4%); y (iv) Las Tres Vírgenes, Baja California con 10 MWe (1%)23. Con esta capacidad instalada, México se encuentra en cuarto lugar a nivel mundial en generación geotermoeléctrica, después de Estados Unidos (2,687 MWe), Filipinas (1,970 MWe) e Indonesia (992 MWe). Estudios prospectivos indican, que para el 2010, esta capacidad instalada será incrementada hasta 1,178 MWe a través de la construcción de nuevas plantas en los campos de Cerro Prieto V (100 MWe) y Los Humeros II (46 MW). Asimismo, esta capacidad será probablemente aumentada con el proyecto reestructurado del campo geotérmico de Cerritos Colorados, localizado en Jalisco (anteriormente conocido como La Primavera), cuyo potencial estimado es de ~75 MW. En cuanto a los usos directos, éstos se han concentrado en aplicaciones de recreación (balneología) con una capacidad instalada estimada en ~164.6 MWt, la cual procede de alrededor de 160 sitios hidrotermales distribuidos en 19 Estados de la República Mexicana24. Los recursos obtenidos de estos sitios alcanzan una producción de ~12,500 t/hr de agua caliente con temperaturas promedio de ~50°C. Por otra parte, la CFE ha desarrollado también algunos proyectos piloto de otras aplicaciones directas en los campos geotérmicos de Cerro Prieto, Los Azufres y Los Humeros, entre las cuales destacan: la extracción secundaria de minerales en lagunas de evaporación; la calefacción de oficinas e invernaderos; el secado de frutas y verduras; el germinado de bulbos; la producción acelerada de flores y hongos comestibles; y el secado de madera.
Energía Hidráulica
Esta tecnología aprovecha la energía potencial asociada a las caídas de agua y a la diferencia de alturas entre dos puntos del curso de un río, así como su energía cinética, alimentándose el fluido a una turbina (hidráulica) para generar electricidad. Las centrales se pueden clasificar según la forma en la que se recibe y se produce la acumulación del agua o por la potencia producida; así, pueden ser de agua fluente (sin ningún tipo de regulación del caudal el cual varía en función del régimen hidrológico anual) o de flujo regulado (a través de un depósito de ajuste diario, semanal o mensual), las que además se pueden emplear en otros fines (riego o abastecimiento de agua). En cuanto a su potencia se tienen: Micro centrales (1 a 100 Kw), Mini centrales (100 KW a 1.0 MW) y Pequeñas centrales (de 1.0 a 30.0 MW). Contrario a las grandes centrales hidroeléctricas, estas categorías presentan un mínimo impacto ambiental y permiten el acercamiento al usuario, facilitando su gestión a nivel local; además, permiten dar servicio a zonas aisladas ó interconectadas a redes de distribución, presentan múltiples posibilidades de localización y por lo general son competitivas con otras fuentes, tanto convencionales como renovables.
Datos en México
A pesar de la amplia aplicación de la energía hidráulica en el país, aún no se conoce el 100% de su potencial real, aunque una estimación de la CONAE (hoy CONUEE) de hace años lo ubica en 3.2 GW. Hasta la fecha solamente se ha desarrollado 80MW y en construcción existen 104 MW. Por otro lado, el recurso se encuentra distribuido de manera no uniforme en el territorio, dado que se concentra en el sur-sureste y pacifico norte. Es prácticamente escaso en el centro y norte del país. Los estados de Chiapas, Tabasco, Oaxaca y Veracruz son los que presentan el mayor potencial y es donde se han construido grandes centrales; no obstante, se tienen cuencas que se pueden aprovechar con desarrollos de menor escala, aunque muchas de ellas requieren ser evaluadas, para determinar el tamaño de los sistemas a instalar.
Energía Mareomotriz
Los océanos representan un recurso de energía renovable (ER) extraordinario, pero hasta ahora sin explotar. Éste se presenta básicamente en forma de mareas, olas, corrientes y gradientes térmicos y salinos. Después de algunas décadas de investigación y desarrollo en nuevas tecnologías, la utilización de este recurso está a punto de volverse realidad, con la próxima instalación de dispositivos de energía del oleaje. De acuerdo con los programas de los fondos nacionales e internacionales dedicados a las ER, se espera una inversión de más de 300 millones de dólares en la investigación y desarrollo de tecnologías para el aprovechamiento de la energía del océano. Las últimas pruebas hechas a los dispositivos piloto han demostrado que esta tecnología tiene que avanzar rápidamente, en cuanto a los sistemas mismos y a mayores estándares de los componentes, a fin de mejorar su fiabilidad y funcionamiento en diferentes aplicaciones, lo mismo que en lo relativo a sus aspectos ambientales y a su conexión a las redes de distribución eléctrica. En este campo, la Unión Europea es la que más ha avanzado en ciencia y tecnología, tal como lo establecen las directrices plasmadas desde su VI Programa Marco de I&DT lanzado en 2002, a realizar por el Grupo de Acciones Coordinadas en Energía del Océano. En este plan, el trabajo está orientado a desarrollar desde el conocimiento base hasta la fase de demostración tecnológica, con el fin de avanzar en una siguiente etapa a su aplicación y comercialización. Con objetivos similares trabaja dentro de la Agencia Internacional de Energía, en un programa internacional de colaboración en el campo de la energía, una sección AIE-OES (Ocean Energy Systems), con diversos grupos de trabajo abocados en forma específica a: obtener y diseminar información, así como auxiliar en las pruebas de prototipos y en la integración a la red; recientemente se formó uno más, orientado a la evaluación de los impactos ambientales de los diversos sistemas de energía oceánica. Actualmente, 25 naciones están integradas a estos grupos, incluido México.
Datos en México
México no tiene una política específica para la energía del océano, sino que ésta se ubica dentro de las existentes para fomentar las ER. No obstante, existen avances en esta materia, gracias a la iniciativa de instituciones de investigación como la UNAM y de su interrelación con universidades y gobiernos internacionales. La Comisión Federal de Electricidad, por su parte, está trabajando en un proyecto de energía de oleaje, en Rosarito, Baja California, para fines múltiples: generación eléctrica, desalinización o una combinación de ambos. Se tiene un cierto nivel de coordinación, consultoría y administración por parte de DEFAESA (Desarrollo de Fuentes Alternas Energéticas, S.A. de C.V.) y su representada Oceanlinx (empresa australiana líder en el aprovechamiento de energía del océano que patentó la tecnología OWC: Oscillating Water Column (oscilación de columna de agua). Esta compañía asesora en la selección del sitio adecuado, además de asegurar el buen funcionamiento de su tecnología y la mejor metodología para instalar exitosamente el dispositivo diseñado en función de los requerimientos específicos de la ubicación. La tecnología de Oceanlinx consiste en una cámara que comprime aire con el movimiento de ascenso y descenso del oleaje, el cual impulsa una turbina de reacción para producir electricidad. Una unidad simple puede generar entre 0.1 MW hasta 1.5 MW, dependiendo de las condiciones del sito y de la demanda a satisfacer. La capacidad de cada unidad se fabrica en función de cada escenario y necesidad, sea la relacionada con el consumo o con las características de la red a la que se conecta.
Energía Solar
La transformación directa de la luz solar en electricidad en un dispositivo optoelectrónico se le llama Efecto Fotovoltaico (FV). A la energía generada mediante este proceso se le conoce como Energía Solar Fotovoltaica. Dicho fenómeno se lleva a cabo en dispositivos o uniones formados por sólidos, líquidos y gases, pero es en sólidos, especialmente en los llamados semiconductores, donde se han observado las mayores eficiencias de conversión de potencia luminosa (luz) a potencia eléctrica (electricidad). La unidad mínima de transformación en donde se realiza el efecto FV se llama celda solar. La electricidad que se genera es del tipo directo o corriente directa (CD). Las celdas solares se asocian o agrupan mediante conexiones en serie o en paralelo para aumentar la potencia de generación y formar los llamados módulos FV’s, y éstos conectados en serie o en paralelo para formar los arreglos FV’s. Independientemente del tipo de agrupación eléctrica entre las celdas y/o los módulos solares, a las tecnologías de transformación de luz a electricidad se les llama comúnmente generadores fotovoltaicos. Las celdas solares y los módulos fotovoltaicos se especifican y comercializan por la potencia máxima o potencia pico que pueden generar cuando sobre ellos incide una irradiancia de 1,000 W/m2 llamada el pico de la radiación solar. Los generadores fotovoltaicos son usados para suministrar electricidad a cualquier aparato eléctrico en CD tales como motores, lámparas, baterías para almacenar energía, y cualquier aparato electrodoméstico en corriente alterna (CA), sólo que en este caso es necesario usar un acondicionador de energía que transforme la CD en CA. Con este tipo de acondicionadores es posible que un sistema FV opere en paralelo e interactúe con la red de corriente alterna convencional. El acoplamiento entre el generador FV, el acondicionador y sistema de almacenamiento de energía, y las cargas a energizar se les conoce con el nombre de sistema fotovoltaico.
Datos en México
Desde 1977 a la fecha se han instalado del orden de 20 MW11, la carencia de especialistas, técnicos y promotores de tecnología con conocimiento, no ha permitido su difusión y uso masivo, aunque sean grandes las necesidades de electricidad en el medio rural. Sin embargo, derivado de la situación internacional que está impulsando el uso masivo de la tecnología FV acoplada a la red (SFV-I) y la inquietud de muchos sectores nacionales, el 27 Junio de 2007, se aprueba y publica, en el Diario Oficial de la Federación, el modelo de contrato de interconexión a la red eléctrica nacional para sistemas FV’s de baja potencia (máximo hasta 30.0 kW) bajo el esquema de medición neta12. Este contrato permite que los usuarios del servicio eléctrico instalen su propio GFV, conectados directamente a la red y puedan reducir sus cuentas eléctricas usando un medidor bidireccional que contabiliza el suministro o consumo de la red convencional. La diferencia neta en un periodo dado entre lo suministrado y consumido es lo que el usuario debe pagar al servicio público, o viceversa. Esto da una idea de que los GFV’s constituyen una buena alternativa para que la facturación de consumo baje de manera drástica y se tenga una disminución de la energía provista por la red y un ahorro económico para el usuario. Bajo este esquema puede esperarse un incremento en la demanda de GFV’s interconectados a la red y a corto plazo, quizá para el 2013, si se consideran los diferentes estudios de mercado realizados13 se podría tener instalado del orden de 50 MW-pico de tecnología FV adicionales a los que hay, sin considerar las acciones contempladas en el PSE. No obstante la limitante del Modelo de Contrato para los SFV-I, se estima que dada la tendencia a la alza del precio de los hidrocarburos, el incremento gradual del CO2 en la atmósfera, y la disminución en costos de la tecnología FV derivado de la producción masiva y la investigación, la demanda por parte de los industriales (la industria de servicios, manufactura, etc.) de SFV-I de mayor potencia será mayor en un periodo de tiempo corto (2014), en consecuencia, dichas aplicaciones tendrán que ser evaluadas, supervisadas y aprobados por la CRE a través de la CFE, la que para lograr su cometido de organismo regulador, tendrá que formar recursos humanos, con diferentes niveles de conocimiento, que les permita evaluar y supervisar, en todos los aspectos relacionados con la tecnología, desde el dimensionamiento, diseño, hasta la selección de equipos y materiales e instalación, de todos los proyectos que se presenten para su aprobación.
Situación energética en el mundo
CONSUMO FINAL ENERGÉTICO POR SECTOR Y ENERGÉTICO EN MÉXICO 2017
Los sectores en que se desagrega el consumo energético total son: el transporte, que es el sector más intensivo en uso de energía, representando el 44.0%; el industrial, que consumió 35.0%; el residencial, comercial y público con 17.6%; y el agropecuario, con 3.4%
Consumo de energía en los sectores residencial, comercial y público (Petajoules)
Sector industrial
El sector industrial es el segundo mayor consumidor de energía en el país. Durante 2017 alcanzó 35.0% del consumo energético total, mostrando un crecimiento de 11.7% respecto al año anterior, para ubicarse en 1,876.65 PJ.
Las industrias que se identifican como las mayores consumidoras de energía, de acuerdo con el Sistema de Clasificación Industrial de América del Norte (SCIAN), son:
• Industria básica del hierro y del acero;
• Fabricación de cemento y productos a base de cemento en plantas integradas;
• PEMEX Petroquímica27;
• Industria química;
• Fabricación de vidrio y productos de vidrio;
• Fabricación de pulpa, papel y cartón;
• Minería de minerales metálicos y no metálicos, excepto petróleo y gas; • Elaboración de azúcares;
• Elaboración de cerveza;
• Elaboración de refrescos, hielo y otras bebidas no alcohólicas, y purificación y embotellado de agua;
• Construcción;
• Fabricación de automóviles y camiones;
Fabricación de productos de hule;
• Fabricación de fertilizantes; y
• Elaboración de productos de tabaco.
El gas seco, combustible más utilizado en la industria, aportó 36.4% (683.23 PJ) del consumo del sector en el 2017, lo que implicó un incremento de 5.4%. El consumo de electricidad fue equivalente a 566.69 PJ y representó 30.2% del consumo industrial, aumentando 0.9% respecto a 2016. El consumo de petrolíferos (gas licuado, gasolinas y naftas, diésel queroseno, y combustóleo) contribuye con 7.1% de la demanda, al sumar 132.69 PJ, disminuyendo 18.6%. Los requerimientos de coque de petróleo en la industria tuvieron una aportación de 7.6% al consumo de energía en el sector y fueron equivalentes a 142.36 PJ, 0.2% mayor que lo consumido en 2016. El consumo de carbón finalizó en 237.44 PJ. Por otro lado, el coque de carbón aumento en un 0.4% respecto al 2016, alcanzando 63.75 PJ, El consumo del bagazo de caña en el sector industrial totalizó 49.89 PJ, cifra 30.4% mayor que la del 2016. Esta fuente primaria de energía aportó 2.7% del total del requerimiento energético del sector. El empleo de energía solar para satisfacer necesidades energéticas en este sector totalizó 0.60 PJ. Aunque su aportación a la canasta de combustibles de la industria fue marginal, ha mostrado un crecimiento exponencial en los últimos años.
Consumo de energía en el sector industrial por energético (Petajoules)
Consumo de energía en el sector industrial (Petajoules) 
