ENERGÍAS LIMPIAS
LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
La energía geotérmica se encuentra almacenada
bajo la superficie terrestre en forma de calor y ligada a volcanes, aguas
termales, fumarolas y géiseres causados por el calor interno de la tierra que
aumenta con la profundidad de los núcleos terrestres donde se encuentran capas
freáticas en las que se calienta el agua y al ascender producen manifestaciones
en la superficie, como los géiseres o fuentes termales. La energía geotérmica
en su más amplio sentido es la energía calorífica que la tierra transmite desde
sus capas internas hacia la parte más externa de la corteza terrestre104;
existen cinco tipos de recursos geotérmicos, y cada uno está asociado con
tecnologías específicas para su aprovechamiento:
- · Hidrotermales
- · Roca seca caliente
- · Geopresurizados
- · Marinos
- · Magmáticos.
Pero los avances tecnológicos por cuanto hace a
los métodos de perforación permiten desarrollar la extracción de energía geotérmica
en más lugares y con mayor eficacia. México cuenta con un gran potencial para
aprovechar este tipo de energía, ya que la geografía del país incluye diversas
zonas volcánicas y vastas regiones de aguas termales, como en los Estados de
Aguascalientes, Hidalgo, Oaxaca, Guerrero, Sonora, entre otros, y por ello,
actualmente México ocupa el cuarto lugar a nivel mundial en la generación de
energía geotérmica, pero aun así aún existe un mayor potencial de generación en
este tipo de energía del que se puede echar mano para desarrollarla como una de
las energías renovables de México.
LA
ENERGÍA SOLAR
La energía
solar es la fuente de energía más abundante sobre la tierra, con alrededor de
885 millones de TWh que caen sobre la superficie del planeta cada año, esto
representa alrededor de 6,200 veces la energía primaria comercial consumida por
el hombre en el 2008 (IEA, 2011). Es importante mencionar que la tecnología
para el aprovechamiento de la energía termosolar puede considerarse madura en
la actualidad. Como dato histórico en 1891, Clarence Kemp inventa el primer
calentador de agua con energía solar. Este científico registró la patente y lo
denominó “Climax”, impulsando el desarrollo comercial de la energía solar
térmica.
Se inspiró en otros inventos como el calentador
instantáneo de agua (inventado por Maughan en 1870) y el calentador de agua de
almacenamiento (inventado por Edwin Ruud en 1889). Este calentador de agua
solar consistía en tanque de agua calentado a través de un colector solar.
Posteriormente en 1909 William J. Bailey, patentó un calentador de agua solar
con un método de circulación del agua y de conservación de calor conocido como
termosifón. Un desarrollo importante fue un calentador solar sumamente
eficiente inventado por Charles Greeley Abbott en 1936.
El calentador solar de agua se hizo popular por
este tiempo en Florida, California y otros lugares. El crecimiento de esta
industria fue alto hasta mediados de 1950, cuando el bajo costo del gas natural
hizo que este energético se usara como fuente principal para calentamiento.
Actualmente, se considera que el calor solar puede contribuir de forma
significativa a la energía global requerida para generar calor. En el 2010 la
IEA reportó que el 47% de la demanda de energía a nivel mundial está
relacionada con aplicaciones térmicas (uso del calor); resaltando la
importancia del aprovechamiento de este recurso, sobre todo a nivel industrial.
Cabe señalar que en este mismo reporte la demanda de generación de electricidad
corresponde solo al 17% de la demanda mundial (IEA, 2010).
Demanda global de la energía.
El calor solar se captura utilizando diversas
tecnologías que permiten un amplio número de aplicaciones, tanto a nivel
residencial como industrial. La tecnología solar convierte la energía radiante
del sol en calor, a este proceso se le llama calentamiento solar. El calor se
transmite a un fluido de trabajo para elevar su temperatura y utilizarlo en una
diversidad de aplicaciones y servicios. La tecnología termosolar se usa
ampliamente en todas las regiones del mundo para proporcionar agua caliente,
calentar o enfriar espacios, secado de productos y dar calor, vapor o
refrigeración para procesos industriales o comida. Muchas tecnologías de
calentamiento solar se encuentran en un estado avanzado de madurez y
actualmente son competitivas comercialmente. Particularmente las tecnologías de
colectores solares de agua caliente han tenido una amplia penetración de
mercado a través de aplicaciones de calentamiento de agua para uso doméstico y
calentamiento de agua para albercas. Cabe hacer mención que para el
calentamiento de agua existen en el mercado dos tipos de tecnologías:
colectores cubiertos (que incluye colectores planos y de tubos evacuados) y
colectores no cubiertos. De acuerdo al reporte del estado de las energías
renovables REN21, en el 2016 se tenía a nivel internacional, una capacidad
instalada de 456 GW utilizando tecnologías de colectores solares de agua
caliente (REN21, 2017).
El mayor impulsor de estas tecnologías tanto en
la fabricación de componentes como en su uso y demanda es China, de acuerdo al
informe de Desarrollo Tendencias en 2016 publicado por la IEA, a finales de
2015 China tenía una capacidad instalada de 309 GW y Europa 49.2 GW; que en
conjunto representaban un 82.3% de los 435 GW instalados a nivel mundial en ese
año. Por otra parte, las aplicaciones como calefacción urbana y generación de
calor para procesos industriales se encuentran ya en etapa de comercialización.
Asimismo, las aplicaciones como enfriamiento o calentamiento de espacios,
requieren todavía de mayor desarrollo tecnológico para que puedan lograr costos
competitivos y puedan tener mayor aceptación en el mercado. Con relación a las
aplicaciones termosolares enfocadas en el sector industrial, la tecnología utilizada
permite alcanzar temperaturas requeridas por los procesos industriales que van
de 60 a 280°C, y hasta 400°C para los sistemas de generación de electricidad
(Ramos-Berúmen, et. al., 2017). Los sistemas termosolares para generación de
calor de proceso se dividen en sistemas sin concentración, en donde se
encuentran los captadores planos, y de concentración, en donde se ubican los
sistemas de concentrador parabólico compuesto, canal parabólico, concentrador
tipo fresnel, receptor de torre central y plato parabólico. La característica
más distintiva de estas tecnologías puede ser la temperatura que logran
generar.
Los sistemas termosolares de concentración solar
son una tecnología probada a nivel comercial, la primera planta de generación
de electricidad comenzó su operación en 1984 favorecida principalmente por
incentivos en los impuestos federales y del estado. Debido a la caída en los
precios de los combustibles fósiles, el gobierno dejó de apoyar esta fuente de
energía, y es hasta el año 2006 cuando el mercado emergió nuevamente en España
y los Estados Unidos, teniendo nuevamente el apoyo gubernamental con medidas
como las tarifas especiales y políticas que obligaron a las plantas a que un
porcentaje de la generación proviniera de fuentes renovables (IEA, 2010).
De acuerdo al reporte del estado global de las
energías renovables REN21 (REN21, 2017) en el año 2016 se adicionaron 110MW de
capacidad de concentradores solares de energía (CSP), con lo que capacidad
instalada de esta tecnología a nivel mundial alcanzó los 4.8 GW. El crecimiento
en este año representó el incremento más bajo de capacidad en los últimos 10
años con solamente un 2%. En las secciones siguientes se presenta una
descripción específica de las tecnologías termosolares y sus aplicaciones
térmicas en el mercado.
2.1 Tecnologías
Las aplicaciones termosolares pueden ser
clasificadas de acuerdo a la temperatura a la cual operan, en este sentido,
existen aplicaciones de baja, media y alta temperatura, las cuales implican el
uso de diferentes tecnologías y materiales.
Las aplicaciones de baja temperatura, es decir,
menores a 100°C, están relacionadas con tecnología de colectores planos, no
cubiertos y tubos evacuados empleados principalmente para el calentamiento de
agua sanitaria y de agua de albercas. Las aplicaciones de temperatura media
(entre 100°C y 400°C), utilizan tecnologías de tubos evacuados, que alcanzan
hasta 120°C de temperatura y de concentradores solares para uso principalmente
industrial, enfriamiento y calefacción de espacios. Las aplicaciones de alta
temperatura (mayores a 400°C) utilizan espejos para concentrar la energía y
lograr temperaturas suficientes altas para la generación de electricidad y
algunos procesos industriales. En términos generales todas las tecnologías anteriormente
mencionadas, utilizan un colector para capturar la energía solar, el elemento
principal de estos colectores son los absorbedores, los cuales son responsables
de recolectar la irradiación solar.
En el mapa de ruta de calentamiento y
enfriamiento solar de la Agencia Internacional de Energía, las tecnologías se
clasifican de acuerdo al tipo de colector termosolar (IEA, 2012):
·
colector
termosolar sin concentración solar y
·
colector termosolar con concentración solar.
A continuación se describe cada uno de estos
tipos de colectores.
2.1.1 Colector termosolar sin concentración solar
Actualmente están disponibles una amplia variedad de colectores termosolares
sin concentración solar, son colectores de baja temperatura ya que generan
temperaturas menores a 85° C, son ideales para calentar piscinas, uso doméstico
de agua y actividades industriales en las que el calor del proceso no requiere
de temperaturas mayores. Hay dos tipos principales, los colectores planos y los
de tubos evacuados. Para minimizar las pérdidas de calor y maximizar la
eficiencia del sistema, la mayoría de los colectores solares sin concentración
solar tienen una carcasa con la que reducen las pérdidas de energía aislando
del medio ambiente tanto el absorbedor y el circuito del flujo de transferencia
de calor, además de proteger estos elementos de la degradación. Dentro de la
clasificación de los colectores termosolares sin concentración solar se
encuentra el colector plano, el cual es la forma más sencilla para transformar
la energía solar en calor. El fluido que circula por el absorbedor es
principalmente agua, que muchas veces se mezcla con aditivos como el glicol
para evitar la congelación. Para controlar la pérdida de calor, a los
colectores planos se les puede incorporar un recubrimiento, mismos que están
diseñados para la absorción más alta posible de irradiación.
Colector termosolar con concentración solar Las
tecnologías de colector termosolar con concentración solar, centralizan la luz
del sol desde una gran área de apertura a un área reducida mediante el uso de
espejos o lentes. Cuando la luz es concentrada se convierte en calor, este
mecanismo puede producir temperaturas mayores a 100°C, lo cual tiene diversas
aplicaciones que van desde el calentamiento de líquidos en procesos
industriales, como por ejemplo la pasteurización, teñido de fibras, industria
alimentaria, entre otros, hasta la generación de electricidad. Es importante
mencionar que para lograr la concentración más efectiva de los rayos del sol,
es necesario que se cuente con un cielo despejado, el cual comúnmente se
encuentra en regiones calientes semiáridas. Por otra parte, la tecnología CSP
(concentrating solar power) se utiliza para la generación de electricidad, en
este sentido cobra relevancia el factor de irradiación normal directo (DNI, por
sus siglas en inglés), que corresponde a la energía que se recibe en la
superficie perpendicular a los rayos del sol. Las regiones con una DNI adecuada
para la operación de plantas de concentradores solares de energía se encuentran
típicamente en latitudes de 15° a 40° norte o sur del globo terráqueo. La DNI
es significantemente mejor en latitudes altas, donde la absorción y la
dispersión de la luz solar son mucho más bajos. De acuerdo a lo anterior, las
áreas más favorables para los recursos de CSP se encuentran en el norte y sur
de África, el Medio Oriente, el noroeste de la India, el suroeste de Estados
Unidos, México, Perú, Chile, la parte occidental de China y Australia. Otras
áreas que pueden ser adecuadas incluyen el extremo sur de Europa y Turquía,
otras localidades del sur de Estados Unidos, países de Asia central, algunas
regiones en Brasil y Argentina, y otras partes de China.
Una característica que hace atractiva la
utilización de plantas de concentración de energía solar para la generación de
electricidad es su capacidad para el almacenamiento de energía en forma de
calor. Actualmente esta capacidad cobra mayor importancia ya que con el
crecimiento en la generación de electricidad a través de fuentes renovables que
tienen un alto grado de intermitencia como son la energía eólica y
fotovoltaica; es necesario contar con plantas que integren sistemas de respaldo
de energía para mantener constante la generación de electricidad y evitar
variaciones en días nublados o de poco viento. Los sistemas de almacenamiento
térmico desvían durante el día el exceso de calor a un material de respaldo,
que pueden ser sales diluidas. En el atardecer el calor almacenado es liberado
en el ciclo de vapor y la planta continúa produciendo electricidad. A partir de
2010, el almacenamiento térmico ha sido utilizado en el 40% de las plantas en
España y ha ido aumentando su uso en las plantas de los Estados Unidos. La
rápida disminución de los costos de sistemas fotovoltaicos, hace irrelevante los
sistemas CSP que no tienen la capacidad de almacenamiento. Cuando se utiliza el
almacenamiento térmico, se incrementa el factor de planta y tiende a reducir el
costo nivelado de la electricidad (LCOE por sus siglas en inglés). Actualmente
existen cuatro familias de tecnologías CSP, las cuales la IEA categoriza de
acuerdo a la forma en que enfocan los rayos solares y la tecnología utilizada
para recibir la energía del sol (IEA, 2014). Las tres tecnologías CSP
predominantes son la de canal parabólico (PT), reflectores lineales Fresnel
(LFR) y la de torre solar, también conocida como sistema receptor central
(CRS). Un cuarto tipo de planta CSP es la de plato parabólico.
Tecnología CSP de canal parabólico
La tecnología de canal parabólico (PT por sus
siglas en inglés) puede considerarse madura y actualmente es la que tiene una
mayor participación a nivel comercial. Esta tecnología consiste de múltiples
filas en paralelo de espejos curvos en una dirección que enfoca los rayos del
sol. El arreglo de espejos puede ser de más de 100 metros de largo y la
superficie curva es de entre 5 a 6 metros. Los tubos absorbedores los cuales
son tuberías de acero inoxidable con un recubrimiento selectivo funcionan como
recolectores de calor. El revestimiento está diseñado para permitir que la
tubería absorba altos niveles de irradiación solar, estos son encapsulados en
una envoltura de vidrio evacuado. Los reflectores y los tubos absorbedores se
mueven en conjunto dando seguimiento la irradiación directa del sol.
Tecnología CSP reflector lineal Fresnel
Los reflectores lineales Fresnel (LFR, por sus
siglas en inglés) tienen una forma muy parecida a la utilizada en los sistemas
de canal parabólico, pero este sistema utiliza largas filas de espejos planos o
ligeramente curvos para reflejar los rayos del sol sobre un receptor fijo
lineal, orientado hacia abajo. La principal ventaja de los sistemas de
reflector lineal Fresnel es que su estructura de espejos ligeramente curvos y
receptores fijos es muy sencilla y requiere de menos costos de inversión. Su
diseño facilita la generación directa de vapor, eliminando la necesidad de
fluidos para la transferencia de calor y de los intercambiadores de calor. Sin
embargo, las plantas que utilizan esta tecnología son menos eficientes que 23
las de canal parabólico en la conversión de la energía solar a electricidad y
por lo tanto, se dificulta la incorporación de capacidad de almacenamiento en
su diseño.
Tecnología CSP de torre solar La Torre solar o
también conocida como sistema con receptor central (CRS por sus siglas en
inglés), utiliza cientos de miles de pequeños reflectores llamados heliostatos
para concentrar los rayos del sol en un receptor central puesto a lo alto de
una torre fija, véase la Figura 12. La energía concentrada en la torre logra
alcanzar temperaturas muy altas, lo que incrementa la eficiencia con la cual el
calor es convertido en electricidad y reduce los costos del almacenamiento
térmico. El concepto de torre solar es muy flexible ya que se puede diseñar
utilizando una amplia variedad de heliostatos, receptores, fluidos de
transferencia. Algunas plantas comerciales en operación realizan la generación
directa de vapor en el receptor y otras utilizan sales diluidas como fluido de
transferencia de calor y como medio de almacenamiento.
Los sistemas con receptor central (CRS),
recientemente han surgido como un buena elección después de que Abengoa
construyó dos plantas de torre basadas en la generación de vapor directa (DSG,
por sus siglas en inglés), además de que dos plantas de mayor capacidad (377 MW
en red) comenzaron a operar en los Estados Unidos.
Tecnología CSP de disco parabólico
Los discos
parabólicos concentran los rayos solares en un punto focal colocado en la parte
central de un plato parabólico. El aparato tiene un movimiento que sigue la
trayectoria del sol, en su mayoría de estos dispositivos cuentan con un
mecanismo de generación independiente en el punto focal.
Aplicaciones
El aprovechamiento del calor proveniente de la
energía solar varía de región a región, las aplicaciones principales de esta
fuente de energía son el calentamiento de agua para uso doméstico y albercas,
enfriamiento termosolar, calentamiento de espacios y calor para procesos
industriales. 2.2.1 Calentamiento de agua para usos domésticos y albercas
Existen dos grandes ramas para el calentamiento de agua con fines sanitarios,
la primera relacionada al sector doméstico (viviendas unifamiliares o
multifamiliares) y la segunda vinculada con el sector comercial y de servicios
(hoteles, clubes deportivos, hospitales, entre otros). Para cada una se emplean
sistemas solares con diferentes configuraciones para el calentamiento de agua
(García Valladares, 2017). Las tecnologías que generalmente se utilizan para el
calentamiento de agua en el sector residencial son los colectores planos y de
tubos evacuados. En aplicaciones donde se requieren temperaturas por debajo de
los 28 °C como por ejemplo, el calentamiento de agua de albercas se utiliza el
colector descubierto.
Durante el 2016, la participación de la energía
termosolar a nivel internacional ha contribuido con un ahorro de 40.3 millones
de toneladas de petróleo y 130 millones de toneladas de CO2. Esto muestra la
aportación importante de esta tecnología para los objetivos climáticos
mundiales (Weiss, et. al., 2017). Sin embargo, el desarrollo de la energía
termosolar enfrenta tiempos difíciles, debido al nivel de competencia, cada vez
mayor con otras energías renovables. Esta competencia está enfocada
principalmente en el tema de la reducción de precios de la tecnología. Las
siguientes secciones abordan de manera general las tendencias en el mercado
internacional, incentivos utilizados para impulsar la industria, principales
impulsores, así como la evolución de los costos de la tecnología termosolar.
Tendencias en el mercado internacional
A finales de 2016 a nivel internacional se tenían
456 GW de capacidad termosolar acumulada en operación. Debido a los bajos
precios de los combustibles fósiles y a la presión de sistemas fotovoltaicos,
la tasa de crecimiento en instalaciones de sistemas termosolares ha tenido una
tendencia a la baja a partir del año 2012. La adición en el año 2016 representó
un incremento de sólo el 5% que contrasta con 33% de incremento de instalación
de sistemas fotovoltaicos.
Es importante mencionar, que la mayoría de la
capacidad termosolar a nivel mundial se está instalada en China con 309.5 GW y
Europa 49.2 GW, que en conjunto acumulan el 82.3% de la capacidad total.
Tradicionalmente estos dos mercados están enfocados a sistemas de calentamiento
de agua en hogares.
A nivel internacional, en las últimas cinco
décadas, la aplicación principal de la tecnología termosolar ha sido para el
calentamiento de casas unifamiliares; el segmento residencial representando un
63% de la capacidad instalada total de colectores a finales de 2015.
En los
últimos años, los mercados han mostrado una transición hacia sistemas a gran
escala para calentamiento de agua en edificios multifamiliares, para el turismo
y sector público. En 2015, este sector comercial representaba un 29% de los
colectores en operación a nivel mundial, pero ese mismo año representó el 54%
de la capacidad instalada adicional de colectores.
ESTADO DE LA ENERGÍA TERMOSOLAR EN MÉXICO
De acuerdo a la SENER, debido a que México se
localiza geográficamente entre los 14° y 33° de latitud septentrional, es un
sitio ideal para el aprovechamiento de la energía solar, pues la irradiación
global media diaria en el territorio, es de alrededor de 5.5 KWhm2/d, siendo
uno de los países con mayor potencial en el mundo. En el mapa de la Figura 24
se puede observar que en una vasta extensión del territorio nacional el
promedio anual de irradiación es de al menos 5.5KWHm2/d.
En las siguientes secciones se describe de manera
general el estado actual en México del potencial y capacidades, objetivos y
metas nacionales, principales actores clave que intervienen el desarrollo de la
energía termosolar en México, el marco regulatorio actual así como una
perspectiva de las necesidades de talento para contribuir en la cadena de valor
termosolar en el país.
Potencial y capacidades De acuerdo al Balance
Nacional de Energía (SENER, 2016b), en México el sector que mayor energía
consume después del transporte, es el sector industrial; en la Figura 25 se
puede observar que equivale a un 31% del total nacional. Nótese en 2015, el
calor solar prácticamente no tenía participación en este sector.
En México, a partir del 2007 se dio un impulso a
la tecnología termosolar para el calentamiento de agua, en el período 2007 –
2012, la Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE), tomó
la iniciativa de diseñar e implantar el Programa para la Promoción de
Calentadores Solares de Agua en México (PROCALSOL) con la colaboración de la
Agencia de Cooperación Técnica Alemana (GIZ, por sus siglas en alemán) y la
Asociación Nacional de Energía Solar (ANES). En la Figura 26 se observa un
crecimiento exponencial en las instalaciones de calentadores de agua.
El programa incluía instrumentos de mercado para
la implementación de la tecnología de calentamiento solar de agua (CSA) en los
sectores: residencial, comercial, industrial y agro negocios. Al 2015, la
capacidad instalada de metros cuadrados de calentadores solares llegó a ser de
3 millones que en conjunto, generaban casi 2 PJ anuales de energía. De acuerdo
al informe de tendencias de energía termosolar a nivel mundial (Weiss, et.al.,
2017) en el año 2015 México ocupaba el quinto lugar en capacidad instalada de
colectores descubiertos de agua en operación con 680 MW.
A septiembre de 2017, México contaba con 65
proyectos de aplicaciones de calor solar en procesos industriales, con una
capacidad instalada de 13.7 MW y una superficie de 22,353 m2 . Lo anterior de
acuerdo a la consulta realizada en la base de datos en línea SHIP Plants
(SHIP-PLANTS, 2017), donde se lleva un registro global de los proyectos de
calor solar para procesos industriales.
En México a partir del año 2009 se ha tenido un
crecimiento notable en la cantidad de aplicaciones de calor solar en procesos
industriales, destacando la tecnología de colectores de canal parabólico la
cual a partir del año 2013, ha sido el tipo de colectores más utilizado.
A través del Fideicomiso de Riesgo Compartido
(FIRCO) se ha brindado apoyo al sector agro negocios, durante el período 2008
al 2015 este contemplaba granjas acuícolas, desarrollos turísticos rurales,
granjas porcinas e invernaderos. A partir del reporte de Prospectiva de energía
renovable para México (IRENA & SENER, 2015) donde se analiza la curva de
costos de suministros por recurso, se identifica como una oportunidad rentable,
el sustituir el consumo de combustibles fósiles por aplicaciones termosolares
en procesos industriales. Además, aunque con una menor participación, están las
aplicaciones de calor solar en el sector de la construcción para calentamiento
de agua sanitaria y de albercas.
Actualmente la CONUEE da seguimiento al Programa
de Calentamiento Solar de Agua México 2014-2018, en línea con lo establecido en
el Programa Nacional para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía
(PRONASE).
En México
se han desarrollado proyectos de energía termosolar para procesos industriales,
empleando colectores solares de concentrador de canal parabólico.
Actualmente existen empresas mexicanas que
desarrollan y comercializan concentradores solares de canal parabólico para la
generación de energía térmica entre los 50°C y 200°C. Estos sistemas son
utilizados principalmente en el sector alimenticio.
BIODIÉSEL
Generalidades La Sociedad Americana para Pruebas
y Materiales (ASTM, por sus siglas en inglés) define al biodiésel como un
combustible compuesto de ésteres monoalquílicos de ácidos grasos de cadena
larga derivado de aceites vegetales o grasas animales (ASTM International,
2015). En México, la Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos lo
define como “combustible que se obtiene por la transesterificación de aceites
de origen animal o vegetal” (DOF, 2008).
Aunque la especificación ASTM D6551 no indica el
proceso de producción en su definición de biodiésel, señala que comúnmente se
produce por una reacción de aceites vegetales o grasas animales con un alcohol
en presencia de un catalizador para producir ésteres monoalquílicos y glicerina
(ASTM International, 2015). De cualquier manera, ambas definiciones coinciden
en el tipo de materia prima para producir biodiésel y en cierta medida con su
proceso de producción.
Por lo tanto, en este reporte se cubren los
aspectos relacionados con el biocombustible referido por estas dos
definiciones. Sin embargo, considerando que el prefijo “bio” implica una
naturaleza biológica y renovable y “diésel” refiere al combustible usado por
ese tipo de motores, este Reporte de Inteligencia Tecnológica (IT) también
incluye los combustibles producidos de fuentes biológicas, equivalentes al
diésel fósil y que se pueden emplear en vehículos de motores diésel no
modificados (Stoytcheva & Montero, 2011), el diésel renovable o diésel
verde.
Aunque el diésel verde o renovable se obtiene de
procesos distintos a la transesterificación y factiblemente de materias primas
alternativas a los aceites vegetales y grasas animales, su naturaleza drop-in
lo hace una alternativa combustible atractiva en el sector transporte con
creciente impulso a nivel mundial (NREL, 2006). Por lo tanto, el biodiésel
renovable o verde se cubre en este reporte dentro de la categoría de
biocombustible o biodiésel avanzado desde la perspectiva del tipo de materia
prima y/o tecnología usada para su producción.
Aunque se carece de un consenso respecto a la
clasificación del biodiésel como avanzado o convencional (Sandoval, 2010), en
este reporte se considera como biodiésel convencional aquel combustible
renovable y limpio derivado de aceites vegetales o grasas animales,
químicamente constituido por una mezcla de ésteres monoalquílicos de ácidos
grasos de cadena larga (Cheng & Timilsina, 2011). El término convencional
se refiere al tipo de biomasa empleado para su obtención: fuentes
comestibles/alimenticias también denominadas de primera generación.
El “biodiésel” avanzado, por otra parte, es un
combustible renovable, limpio compuesto por una mezcla de ésteres
monoalquílicos de ácidos grasos de cadena larga o pudiendo ser similar al
diésel convencional en términos de estructura química y contenido energético si
se considera al diésel renovable dentro de esta categoría. El término avanzado
alude a la tecnología y/o al tipo de biomasa usada en su producción: fuentes no
comestibles/no alimenticias desarrolladas sustentablemente, aceites/grasas
residuales, residuos agrícolas, residuos municipales e inclusive aceites
derivados de microorganismos (ADVANCED BIOFUELS USA, 2012).
Especificaciones del biodiésel Las propiedades
del biodiésel dependen en gran medida del tipo de materia prima usado para su
producción (Zhang et al., 2016). Por lo tanto, las especificaciones para su uso
como combustible son necesarias para confinar las propiedades en un intervalo
aceptable, controlar su calidad y asegurar un desempeño confiable del motor.
Dentro de las especificaciones existentes para el
biodiésel destacan las de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales
(ASTM) y las del Comité Europeo de Normalización (CEN). Particularmente, la
ASTM D6751 y la UNE EN14214 especifican la calidad del biodiésel puro mientras
que la ASTM D7467 y EN 590 especifican las mezclas de biodiésel. Las
propiedades que se indican en estas especificaciones incluyen el poder
calorífico, número de cetano, densidad, viscosidad, contenido de ceniza,
corrosión al cobre, contenido de agua, azufre, glicerina, entre otras (ASTM
International, 2015; CEN, 2014)
En general, los principales parámetros que
afectan el proceso de transesterificación y que deben optimizarse para lograr
un biodiésel que cumpla las especificaciones de calidad son los siguientes
(Atabani et al., 2012):
·
Ácidos grasos
libres, humedad y contenido de agua
·
Tipo de alcohol y
razón molar empleada
·
Tipo y
concentración de catalizador
·
Tiempo y
temperatura de reacción
·
Razón, modo de agitación e intensidad de
mezclado
·
Purificación del
producto final
·
Gravedad
específica
Materiales lignocelulósicos
Un insumo alternativo para producir biodiésel
avanzado es la biomasa residual que comprende materiales lignocelulósicos como
pastos, residuos agroindustriales, residuos forestales y madereros (Cheng &
Timilsina, 2011). En general, los materiales lignocelulósicos están más
orientados a la producción de biocombustibles sólidos o bioetanol, pero también
pueden ser insumo para producir lípidos microbianos (Yousuf, 2012).
Asimismo, tecnologías distintas a la transesterificación
son flexibles y capaces de usar insumos distintos a las grasas y aceites para
producir “biodiésel”. A pesar de no ser exactamente una mezcla de ésteres
monoalquílicos de ácidos grasos (biodiésel), el diésel producido por estas
tecnologías es una mezcla de hidrocarburos químicamente equivalente al diésel
fósil (Rapier, 2014; Bart et al., 2010).
La ventaja del material lignocelulósico es que es
un recurso renovable y relativamente abundante cuyo abastecimiento se puede
suplementar con pastos y cultivos forestales de rotación corta. Sin embargo,
las desventajas principales se relacionan con los altos costos y estado de
desarrollo de las tecnologías de procesamiento disponibles (IEA, 2008).
Transformación (áreas tecnológicas relevantes)
El proceso e inclusive las etapas de producción
del biodiésel varían dependiendo del tipo de insumo empleado. Considerando lo
anterior, se identificaron las siguientes áreas tecnológicas en la producción
de biocombustibles para motores diésel:
Biodiésel:
o
Transesterificación
(catálisis homogénea)
o
Transesterificación
(no catalítica)
o
Transesterificación
(catálisis heterogénea)
Diésel renovable:
·
Hidrotratamiento
(HVO)
·
Biomasa a líquido
(BTL)
·
Pirólisis rápida
El Reporte de Inteligencia Tecnológica sólo
considera la transesterificación por ser el método usado comercialmente para
obtener biodiésel. Aunque la esterificación puede producir biodiésel, ésta se
combina con la transesterificación para aprovechar el subproducto de ácidos
grasos (BIODISOL, 2016). Precisamente, la preparación de ésteres incluye la
reacción de un éster con un alcohol, un ácido u otro éster (intercambio
éster-éster, interesterificación y transesterificación), denominándose estos
tres procesos colectivamente como reacciones de transesterificación (Gunstone
et al., 1994).
Transesterificación (catálisis homogénea)
La transesterificación es el proceso mediante el
cual el aceite vegetal o grasa animal reacciona con un alcohol (metanol) en
presencia de un catalizador líquido para producir una mezcla de ésteres
metílicos (biodiésel) y glicerol como subproducto (Naik et al., 2010; Knothe et
al., 2010).
El proceso de catálisis homogénea implica que el
catalizador se encuentra en estado líquido al igual que los reactivos pudiendo
ser éste un catalizador ácido o básico (Naik et al., 2010).
Los
catalizadores básicos incluyen hidróxido de sodio (NaOH), metóxido de sodio
(NaOCH3), metóxido de potasio (KOCH3), hidróxido de potasio (KOH) y carbonato
de potasio (K2CO3). Actualmente predomina la producción de biodiésel con
catalizadores alcalinos (principalmente NaOH o KOH) por ser los catalizadores
más rápidos, económicos y lograr alta pureza del producto. Sin embargo, se
requiere un nivel bajo de ácidos grasos libres (0.5-3.0 %) para que la reacción
ocurra y se obtenga un rendimiento alto.
BIOETANOL
El bioetanol es un biocombustible de origen
vegetal que se produce a partir de la fermentación de materia orgánica rica en
azúcar, así como de la transformación en azúcar del almidón presente en los
cereales. Se utiliza principalmente en motores de explosión como aditivo o
sustituto de la gasolina.
La
producción de bioetanol se basa en el proceso conocido como fermentación
alcohólica. En todos los casos se parte de almidón o celulosa (dependiendo de
la materia prima). Una vez hidrolizados para obtener la glucosa, ésta se somete
a fermentación de donde se obtiene el etanol.
En las primeras etapas de la fermentación, cada
molécula de glucosa se transforma en dos moléculas de ácido pirúvico. A partir
de dicho ácido, diferentes rutas metabólicas conducen a la formación de otros
productos finales. En la fermentación alcohólica, que llevan a cabo las
levaduras, el producto final resultante es el etanol y en menor proporción otro
alcohol, el butanodiol. Las rutas fermentativas alternativas son activadas por
diferentes bacterias aeróbicas o anaeróbicas que compiten con las levaduras.
Cuanto mayor sea la proporción de estas bacterias en el cultivo, menor será la
cantidad de etanol obtenida como producto final de la fermentación (Gracia,
2011).
La mezcla de combustibles fósiles con
combustibles de biomasa es un hecho ya consolidado, de fácil implementación,
posibilidad inmediata y con beneficios ambientales principalmente, por lo que
se han establecido a nivel mundial, varios estándares para la mezcla de
bioetanol con combustibles fósiles.
Por ejemplo, en estados Unidos la EPA permite la
mezcla y comercialización de E15 (EPA, 2016), un biocombustible con un 15 % de
bioetanol, que puede ser utilizado por el 80 % de los vehículos americanos.
Además, si estos coches son Flex Fuel Vehicles (FFV), pueden utilizar también
E85, combustible compuesto por un 85 % de bioetanol. En Brasil se están
utilizando mezclas de hasta el 27 % de bioetanol en la gasolina, y también hay
un parque vehicular significativo que utiliza 100 % de etanol como combustible.
El gasohol E10, la variante más común, se ha introducido por toda Dinamarca y
el E75 en Suecia.
BIOTURBOCINA
El combustible para motores de aviación de
reacción o propulsión a chorro (queroseno o “jet fuel”) se obtiene comúnmente
del proceso de refinación del petróleo crudo. La materia prima para su
producción corresponde a la segunda fracción (punto de ebullición 205-260 °C)
que se produce de la torre de destilación, la cual se trata con hidrógeno para
convertirla en queroseno (Liu et al., 2013). Aunque no está registrado en el
diccionario de la Real Academia Española, el término turbosina también se usa
en México para denominar al queroseno (PEMEX, 2011).
Por lo tanto, además de queroseno, en este
reporte se utiliza el “sinónimo” turbosina y las palabras derivadas del mismo
(p. ej. bioturbosina). Los combustibles alternativos para motores de aviación
de reacción o propulsión a chorro se pueden obtener de una variedad de fuentes
como el carbón, arenas o esquistos bituminosos, plantas y grasas animales. Los
combustibles derivados del carbón, gas natural u otros hidrocarburos (insumos
fósiles) se denominan sintéticos mientras que los derivados de cultivos
agrícolas, madera, plantas y otros residuos (biomasa) se designan bio (Zhang et
al., 2016).
Por lo
tanto, las bioturbosinas son combustibles limpios derivados de insumos
renovables (biomasa) que cumplen las mismas especificaciones técnicas que la
turbosina convencional y por ello pueden mezclarse con ésta de manera segura
(IATA, 2016). A diferencia del bioetanol y biodiésel, las bioturbosinas son
propiamente biocombustibles “drop-in” al ser químicamente similares a los
hidrocarburos con los que se mezcla y no requerir infraestructura adicional
para su manejo (Radich T. , 2015). Además, cumplen particularmente con la
especificación de resistencia al frio y alto contenido energético (IATA, 2016).
La turbosina convencional es una mezcla de
n-parafinas (20%), iso-parafinas (40%), ciclo-parafinas (20%) y compuestos
aromáticos (20%). En general, la composición del combustible determina sus
propiedades que son promedios ponderados de sus componentes (Zhang et al.,
2016).
Así, las n-parafinas pueden incrementar el
contenido energético, las iso-parafinas pueden mejorar las propiedades del
combustible a baja temperatura y las cicloparafinas y aromáticos pueden dar
mayor densidad al combustible (Holley et al., 2007).
Por lo anterior, las especificaciones para
combustibles son necesarias para confinar las propiedades en un intervalo
aceptable, controlar su calidad y asegurar un desempeño confiable. Dentro de
las especificaciones existentes para turbosinas convencionales destacan las de
la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM D1655), (International,
2015) y la Secretaría de la Defensa del Reino Unido (DEFSTAN 91-91), (Ministry
of Defence, 2011).
De esta
manera, el desarrollo de turbosinas alternativas y sus aditivos debe buscar la
compatibilidad con motores, aeronaves y sistemas de distribución de combustible
existentes, así como su certificación. Particularmente, la especificación ASTM
D4054- 14 establece la práctica para calificar y aprobar nuevas turbosinas y
sus aditivos (ASTM International, 2014).
Actualmente se reconocen cinco componentes de
mezclado en los anexos de la especificación ASTM D7566-16 (turbosinas que
contienen hidrocarburos sintéticos), (ASTM International, 2016). Sin embargo,
existen al menos otros tres componentes que buscan la certificación ASTM
(Radich T. , 2015).
Aplicaciones de la bioturbosina El uso más común
de los biocombustibles es para el transporte, aunque algunos se pueden usar en
generadores para producir electricidad y algunos otros podrían reemplazar
eventualmente al propano y aceites de calentamiento (combustible para
calefacción).
Sin
embargo, el propósito de producir bioturbosinas es contar con combustibles
alternativos sustentables que tengan las mismas propiedades que la turbosina
(“dropin”) para usarse en motores de aviación de reacción o propulsión a chorro
con el fin de reducir las emisiones y la dependencia de los combustibles
fósiles (IATA, 2015).
ENERGÍA MAREOMOTRIZ
La producción de electricidad a partir de energía
undimotriz, se efectúa mediante el movimiento de la superficie del océano
(oleaje). Los convertidores de energía del oleaje (CEO), conocidos
internacionalmente como WEC (Wave Energy Converter) son muy variados y
aprovechan el cambio de la superficie del mar (sobrelevación, rotación y
traslación) para mover componentes que se conectan a generadores eléctricos.
El oleaje en general, tiene dos componentes que
son: el producido por el viento que sopla de manera local durante un tiempo
específico sobre una región y el oleaje lejano que se produce en otro sitio. Es
importante destacar que siempre se requiere del viento para producir cualquiera
de los dos componentes. Para la evaluación del potencial undimotriz es
necesario contar con mediciones directas y complementarlas con el uso de
modelos numéricos tanto de oleaje como atmosféricos.
En la
actualidad existen modelos numéricos de tercera generación que permiten la
simulación de la evolución bidimensional de estados de mar de oleaje, así como
modelos atmosféricos que permiten conocer la dinámica del viento de manera
razonable. Estos modelos son apoyados por la comunidad científica internacional
y sus códigos fuente son en general de uso libre y se utilizan para generación
de información histórica, para estudio de procesos específicos y para
desarrollar modelos operacionales de predicción.
Refieren Guerrero y Martínez (2013), que los
mejores sitios para generar electricidad a partir de las olas se encuentran en
el sur de América, Australia Occidental y al oeste de las Islas Británicas,
donde la energía de las olas puede considerarse 60-70 kW/m.
De acuerdo
con esta misma fuente, en México se cuenta con un potencial entre 12 y 14 kW/m,
desde esta perspectiva está por debajo de los valores rentables establecidos
por estos autores. Asimismo, se realizan estudios a través de modelos numéricos
y experimentales los cuales coadyuven a identificar la ubicación de los
recursos potenciales de las olas y predecir sus movimientos (las cuales tienen
características variables: fuerza y dirección) para así convertirlos en energía
eléctrica.
Existen altas expectativas de que la energía de
las olas sea una fuente de energía limpia, segura y viable, pero los
convertidores de energía pueden afectar tanto a los ecosistemas marinos, como a
las actividades económicas, sociales o turísticas de una región, por lo que se
hace necesaria una evaluación integral del potencial energético del oleaje y
cuanto de éste puede ser convertido, junto con la maximización del valor
presente neto del proyecto completo, y minimizando conflictos con otras
actividades oceánicas, para ayudar a estas evaluaciones se han desarrollado
herramientas de apoyo para la toma de decisiones.
Energía de las mareas
Tanto la marea astronómica como la de tormenta es
una fuente de energía cinética y potencial que puede ser transformada en
electricidad. A diferencia de las mareas de tormenta, la marea astronómica si
es predecible tanto en forma espacial como temporal, y por lo tanto es viable
su conversión a través de sistemas de represamiento para aprovechar los rangos
de movimientos verticales (energía potencial), o con turbinas colocadas en
canales de corriente forzada por empuje de marea (energía cinética).
La marea astronómica se define como la respuesta
o sobrelevación periódica del nivel del mar por la acción de las fuerzas
gravitacionales inducidas por los astros cercanos al planeta tierra
(principalmente por movimientos regulares de los sistemas luna-tierra y
tierra-sol).
De acuerdo a Guerrero y Martínez (2013) estos
flujos de agua son afectados por la topografía de la costa, enfatizando que
generalmente la velocidad del flujo es mucho mayor en aguas poco profundas
donde un efecto embudo ocurre como en el caso de estrechos o bahías.
Algunas de las tecnologías para el
aprovechamiento de la energía de las mareas tienen relación con las utilizadas
en la energía eólica e incluso en las hidroeléctricas.
ENERGÍA EÓLICA
El viento o la energía cinética de flujo de aire,
es una fuente de energía libre, limpia e inagotable. Ha sido utilizada en el
transporte, industria y agricultura por miles de años. El surgimiento de
modernas turbinas eólicas ha permitido aprovechar esta energía para generar
electricidad. La energía eólica continua su expansión mundial fundamentado en
reducciones de costo de turbinas, políticas públicas y crecimiento de la
inversión (IEA-ETSAP, IRENA, 2017).
La energía eólica es aquella que se obtiene a
través del viento y esto la convierte en uno de los recursos energéticos que se
ha explotado desde tiempos antiguos por el ser humano, convirtiéndose hasta hoy
en una de las energías más maduras y eficientes de entre todas las renovables.
Este tipo
de energía proviene del viento provocando el movimiento en las palas de los
autogeneradores88 los cuales convierten el aire en energía; actualmente este
tipo de energía es la que más desarrollo refleja a nivel mundial, lo que se
puede observar en la siguiente tabla que muestra la evolución de la generación
de energía eólica mundial de los años 2005 a 2015. En 2015, este tipo de
energía fue la principal fuente de capacidad generadora de electricidad en
Europa y Estados Unidos, la segunda más importante en China. A nivel mundial,
se añadió un récord de 63 GW, sumando un total aproximado de 433 GW89 . Por
todo ello, se considera que la energía eólica está desempeñando un papel
importante al satisfacer la demanda de electricidad en un número creciente de
países, incluyendo Alemania, Dinamarca y Uruguay
La energía eólica para generación de
electricidad, se está desarrollando como una tecnología confiable y
competitiva. A nivel mundial sigue una tendencia de crecimiento anual en
capacidad instalada e inversiones (IEA, 2013).
Es importante mencionar que la energía eólica
para generación de electricidad, se puede obtener a través de centrales eólicas
y a través de pequeños generadores a nivel local (generación distribuida). A
continuación se hace una descripción general de estas dos variantes.
Generación a través de grandes centrales eólicas
Actualmente existen grandes centrales eólicas
para producir electricidad, las cuales utilizan turbinas, también conocidas
como aerogeneradores. Un aerogenerador es un dispositivo que convierte la
energía cinética del viento en energía mecánica que impulsa un generador para
producir electricidad.
Los aerogeneradores empiezan a funcionar cuando
el viento logra una velocidad de 3 a 4 metros por segundo (m/s), y alcanzan su
producción máxima con velocidades de 13 a 14 m/s. El factor de planta para este
tipo de centrales oscila entre 20% y 43%. Asimismo los aerogeneradores de 1.5
MW a 2.5 MW, todavía constituyen el mayor segmento de mercado.
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