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

México por su gran diversidad biológica y por su condición de país industrializado, dispone de gran potencial de fuentes de materia prima (especies naturales, desechos animales, residuos agroindustriales, etc.) para la producción de biocombustibles de primera y segunda generación en el corto, mediano y largo plazo.  La bioenergia con el uso de leña, carbón y otros residuos agrícolas abastece el 5 % del consumo de energía primaria en México (2016). Se estima que en el año 2030, se podría abastecer hasta un 16 % del consumo y permitir una reducción anual de emisiones de 110 Mt de CO2 a la atmósfera.

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.  

La inversión en parques eólicos en México supera 6,000 millones de dólares. Éstos son los estados que generarán más megavatios con energía eólica en 2018.  

Entre 2015 y 2018, según México WindPower, se estiman inversiones superiores a 12,000 mdd. En 2014, el país atrajo 2,100 mdd en inversión en energías renovables, 40% más que en 2013, de acuerdo con el informe Tendencias globales de inversión en energías renovables 2015, del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. Esto sitúa a México por arriba de otras economías emergentes como Indonesia (1,800 mdd), Turquía (1,800 mdd), Chile (1,400 mdd) y Kenia (1,300 mdd).

Estos son los estados que generarán más megavatios con energía eólica en 2018. 

1. Oaxaca: 5,564 megaviatios.
2. Tamaulipas: 1,350 megavatios.
3. Coahuila: 1,080 megavatios.
4. Nuevo León: 642 megavatios.
5. Jalisco: 399 megavatios.

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

En 2017, las centrales eléctricas de la Comisión Federal de Electricidad generaron el 52 por ciento de la energía total del país. Ese mismo año se produjeron 329 mil 162 gigavatios hora (GWh) para la industria eléctrica, de los cuales 78.9 por ciento se generaron con tecnología convencional, misma que emplea combustibles fósiles como el petróleo, carbón o gas. Sólo el 21.1 por ciento restante correspondió a las denominadas tecnologías limpias como celdas solares o aerogeneradores. En este sentido, la generación de energía eléctrica con tecnología geotérmica es de 6.041 GWh, lo que sólo representa el 1.84 por ciento de la generación de electricidad en México. Conforme al Programa de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional (Prodesen); se espera que para el 2032 la generación de energía geotérmica alcance el tres por ciento de la generación total de la República Mexicana, comentó el ingeniero Luis Valdez. 

Datos proporcionados por el ingeniero Valdez Jacobo, en la Décima Segunda Reunión de Especialistas de Normalización 2018 (Reno-CFE), detallan que Cerro Prieto es el campo más grande y antiguo. Su operación inició en 1973, está dividido en cuatro zonas de explotación y se ubica en el estado de Baja California. Tiene 443 pozos, 152 son productores, 22 inyectores. Su capacidad instalada mediante nueve unidades es de 570 MW, generación que representa cerca del 40 por ciento de la demanda del sistema eléctrico de Baja California. En 2017 la producción de vapor de Cerro Prieto fue de 31.032 millones de toneladas, mientras que el rendimiento de vapor promedio es de 26 t/h por pozo. 

Los Humeros es el tercer campo geotérmico más importante de México. Se sitúa en la porción oriental del Cinturón o Faja Volcánica Transmexicana, en Puebla, Puebla de Zaragoza. Por medio de nueve unidades generadoras y una capacidad instalada de 95.7 MW, en 2017 se extrajeron siete mil 16 millones de toneladas de fluido, 85 por ciento de vapor y 15 por ciento de salmuera. Aquí, los trabajos de exploración de la CFE comenzaron en 1978, pero fue en 1991 cuando se puso en marcha la primera unidad generadora de cinco MW y hasta junio de 2017 entró en operación comercial la unidad 11 de 25 MW. Su producción de vapor promedio se ha mantenido estable con entre 25 y 30 t/h. Conserva 27 pozos productores y cuatro inyectores.

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

En México las centrales se concentran en 17 estados del país, en 2015 generaron 36,291.45 Gigawatts por hora (GWh). Chiapas fue el estado que más generó con 15,592.45 GWh, seguido de Guerrero, Nayarit y Michoacán, que generaron 5,342.61, 4,024.48 y 2,803.57 GWh, respectivamente.

De acuerdo al reporte de la International Hydropower Association del año 2015, los principales países generadores de energía hidroeléctrica en 2014 fueron China con 282 Gigawatts, Brasil con 89 Gigawatts (GW), Estados Unidos con 79 GW y Canadá con 78 GW. En ese año México generó únicamente 12 GW según este estudio. 

La Iniciativa Privada (IP) avanza en inversión para la generación de energía como resultado de las modificaciones de la Reforma Energética. En el 2015 se anunciaron tres proyectos de hidroeléctricas en Oaxaca, Puebla y Veracruz, que en total suman una inversión de por lo menos 106 millones de dólares y la generación de 75.7 megawatts (MW).

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.