luis miguel avalos corona
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Facultad de Ciencias
ENERGÍA SOLAR: UNA PROPUESTA PARA LA
GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN EL ESTADO DE
COLIMA, MÉXICO.
Tesina elaborada para obtener el grado de
ESPECIALISTA EN CIENCIAS DEL AMBIENTE, GESTIÓN
Y SUSTENTABILIDAD
por el alumno LUIS MIGUEL AVALOS CORONA.
Asesora: ANA LUZ QUINTANILLA MONTOYA
Colima, Colima, México, a 30 de Abril de 2010.
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Resumen
Este proyecto estudia y analiza la viabilidad de una planta de generación de
electricidad a partir de la energía solar en su modo térmico (temperatura) en
el Estado de Colima, México. Se analizan las diferentes tecnologías disponibles
en el mercado, así como sus principales cualidades. Se consultaron en bases de
datos referencias de radiación solar en el Estado, y se hizo una entrevista con
el encargado de la región de la Comisión Federal de Electricidad para conocer
las necesidades de energía del Estado.
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Abstract
This project studies and analyzes the viability of a solar thermal (temperature)
power plant at the State of Colima in Mexico. All of the technologies available
in the market have been analyzed, including their main characteristics. Data
bases, articles and reports has been consulted in order to get data from the
solar radiation annual average at the State, and an expert interview from the
Electricity Federal Commission has been made in order to get data from the
needs of energy that the State has.
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Dedicado a mis padres, tomo su fuerza para continuar.
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CONTENIDO
Objetivo ..................................................................................... 1
Objetivos específicos ...................................................................... 2
Metodología ................................................................................. 3
Introducción ................................................................................ 4
Capítulo 1 - Marco Teórico ............................................................. 10
1.1 El sector energético en México [1-1] ........................................... 10
1.2 El sector eléctrico en Colima ................................................... 12
Capítulo 2 - Tecnología Solar Térmica ................................................ 14
2.2 Centrales generadoras de electricidad termosolar .......................... 18
Capítulo 3 –Proyectos funcionando en el Mundo, y en México .................... 27
3.1 Sistemas de parabólicas cilíndricas ............................................ 27
3.2 Sistemas de Torre ................................................................ 28
3.3 Sistemas de torre ascendente .................................................. 31
3.4 Plantas de estanque solar ....................................................... 32
3.5 Proyectos en México ............................................................. 33
Capítulo 4 - Análisis económicos y ambientales ..................................... 36
4.1 Sistemas de torre central ....................................................... 36
4.2 Sistema de cilindro parabólico (granja solar) ................................ 39
4.3 Sistema de disco / Stirling ...................................................... 40
4.4 Sistema de torre de flujo ascendente ......................................... 42
4.5 Sistemas de estanque solar ..................................................... 45
4.6 Sistema Termoeléctrico Actual ................................................. 46
Capítulo 5 - Recursos Naturales de Colima .......................................... 48
5.1 La radiación solar en el estado de Colima .................................... 48
Capitulo 6 - El consumo de energía en el estado ................................... 50
Capitulo 7 - Resultados ................................................................. 53
Capitulo 8 – Discusiones ................................................................. 57
Referencias ............................................................................... 61
Anexos ..................................................................................... 66
1
Indice de tablas y figuras
Tabla 2.1: Comparación de factores de concentración y parámetros técnicos. ..... 16
Figura 2.1: Central termosolar “Solar two” en California, Estados Unidos. ......... 18
Figura 2.2: Planta solar de baja concentración en Kramer Junction .................. 20
Figura 2.4: Diseño de una torre de aire ascendente. .................................... 23
Figura 3.1: Modelo de funcionamiento de la planta Solana. .......................... 27
Tabla 3.1: Resumen comparativo de sistemas de generación de disco. .............. 30
Tabla 3.2: Comparación de proyectos con la tecnología de estanque solar. ........ 32
Figura 3.3: Paneles solares en San Juanico. .............................................. 33
Tabla 4.1: Características técnicas de una planta de torre central. .................. 36
Tabla 4.2: Costos calculados para una planta solar de 30 MW. ........................ 37
Tabla 4.3: Datos hipotéticos de una planta de granja solar. ........................... 39
Tabla 4.4: Costos hipotéticos de una planta de granja solar. .......................... 40
Tabla 4.5: Costos de un sistema de disco Stirling. ....................................... 42
Tabla 4.6: Características idóneas para las plantas de torre de aire ascendente. .. 43
Tabla 4.7: Comparación entre diferentes versiones de plantas. ...................... 44
Tabla 4.8: Electricidad producida y residuos de la planta de Manzanillo ............ 47
Figura 5.1: Gráfica de radiación solar en la ciudad de Colima ......................... 49
Tabla 6.1: Consumo de electricidad en el Estado de Colima de 2005 a 2008. ....... 50
Figura 6.1: Consumo de energía en el Estado de Colima. .............................. 51
Tabla 6.2: Emisiones de CO2 por generación de electricidad en Colima ............. 52
Tabla 7.1: Comparación de costos de generación entre tecnologías. ................. 53
Tabla 7.2: Cálculo financiero con precio inicial de 1.1 pesos por kwh. .............. 55
Tabla 7.3: Cálculo con el costo inicial en 2 pesos. ...................................... 56
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Objetivo
Hacer un análisis diagnóstico de las tecnologías que utilizan la energía solar
térmica, para su posible uso en la generación de electricidad en el estado de
Colima, México.
Objetivos específicos
1. Analizar la situación del sector energético nacional
2. Analizar el sector energético estatal
3. Identificar las tecnologías solares y su estado actual en el mundo
4. Analizar en términos tecnológicos, económicos y ambientales la producción
de electricidad por medio de la energía solar
5. Identificar si existe el recurso solar en Colima para uso comercial
6. Identificar el consumo de energía eléctrica en el Estado
7. Analizar las tecnologías para identificar la más adecuada a la situación del
estado con base en los siguientes criterios:
a. Costos de implementación
b. Costos de mantenimiento
c. Insumos
d. Criterios físicos
e. Posición del gobierno federal
f. Criterios ambientales
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Metodología
Investigación documental consultando:
o Bases de datos especializadas.
o Bibliotecas.
o Fuentes de información en páginas de Internet.
o Publicaciones científicas y técnicas.
o Reportes técnicos oficiales (CFE, INEGI, SENER).
Entrevista a personajes claves en el sector.
Análisis cualitativo y cuantitativo de las tecnologías disponibles.
Obteniendo para cada punto la siguiente información:
1. La situación actual del sector energético en México.
2. La situación actual del sector energético en el Estado de Colima. a través de
bibliografía y reportes técnicos.
3. Los avances en la tecnología de aprovechamiento de fuentes renovables de
energía, especialmente en libros especializados.
4. Los aspectos de las tecnologías disponibles a la actualidad.
5. La radiación solar promedio en el país consultando atlas solares.
6. El consumo de energía eléctrica en el Estado, a través de las bases de datos
de Comisión Federal de Electricidad, sección Colima.
7. Una tabla comparativa de las diferentes tecnologías, considerando los costos
de inversión, operación y tasa de retorno.
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Introducción
El uso de la energía es uno de los factores que le ha permitido al ser humano llegar
al nivel de vida actual. Desde tiempos inmemorables ha utilizado la energía para
llevar a cabo su vida cotidiana. No podemos pensar en actividades como el
transporte, la manufactura, el entretenimiento, la comodidad y otras actividades,
sin el uso de la energía.
La explotación energética por parte del ser humano siempre ha causado un impacto
en el ecosistema, por ejemplo, al crear presas para aprovechar el agua en la
energía hidroeléctrica, se corta el flujo natural, afectando a diversas especies de
peces[I-1]; al usar la energía nuclear se generan desechos tóxicos indestructibles
con un periodo de vida de 10,000 años; al utilizar la madera en exceso se acaba con
la biodiversidad de la naturaleza, entre muchos otros más.
El calentamiento global ha sido ya comprobado científicamente [I-2]. La principal
causa es el acumulamiento en la atmósfera de gases llamados de “efecto
invernadero”, ya que tienen la propiedad de conservar la energía en forma de calor
de los rayos del sol en la superficie del planeta. Un ejemplo típico de estos gases es
el dióxido de carbono (CO2), que se encuentra de manera natural en el planeta. La
actividad humana, principalmente mediante la quema de combustibles de origen
fósil, ha incrementado dramáticamente las concentraciones de estos gases en la
atmósfera, provocando cambios en la dinámica de la tierra, la atmósfera y el
océano.
Los niveles del dióxido de carbono se han incrementado en el último siglo desde su
casi estable nivel en la era pre-industrial (alrededor de 280 partes por millón en
volumen, o ppmv) hasta los niveles actuales, donde en 2000 se registraron 368
ppmv[I-3]. Esta cantidad es 31% más que la registrada hace 150 años.
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Además, en el período de 1995 a 2005 se registró un ritmo de crecimiento de 1.9
ppmv, se han visto tasas de crecimiento similares en las concentraciones de metano
(CH4) y óxido nitroso (NO2); algunos impactos causados por el incremento en las
concentraciones pueden ser lentos de aparecer visiblemente, debido a la inherente
característica de estabilidad en los sistemas interactivos del clima. Inclusive
después de la estabilización de las emisiones de CO2, el calentamiento
antropogénico y el incremento del nivel del mar [I-4] continuarán por cientos de
años, debido a las escalas de tiempo asociadas con los procesos climáticos. Como
principales causantes de las emisiones de gases de invernadero antropogénicas, se
destacan la generación de electricidad y el transporte [I-5].
Se ha liberando a la atmósfera, en 150 años de la era industrial, aproximadamente
441,500 millones de toneladas de CO2 entre deforestación (35%), producción de
cemento (1%) y quema de combustibles de orígen fósil(64%), por lo que causa un
verdadero desequilibrio, ya que la tasa de asimilación no es misma que la de
liberación. De tal cantidad solamente se ha recapturado por la tierra y el océano
aproximadamente el 60% [I-6] Además, la demanda de energía por parte del ser
humano va en incremento, presionando a los recursos al máximo. El medio más
convenientemente económico para satisfacer tal demanda es la explotación de
hidrocarburos (petróleo, gas y carbón mineral). [I-7]
En los últimos años, como una alternativa al uso de los combustibles fósiles, se ha
pensado en la utilización de fuentes de energía más amigables con el ambiente,
éstas son las llamadas energías renovables. Se considera energía renovable, aquella
que se “renueva” y que por ende, se puede explotar de manera inagotable en
escala humana, y cuyo uso provoca un impacto menor al medio ambiente, con
respecto a las convencionales. [I-8]
Estas fuentes ya existen y se dan de manera natural, ya sea en forma de luz, viento
o gravedad; tienen un potencial mucho mayor y no causan impactos tan negativos
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ambientalmente como los hidrocarburos. Ejemplos de ellas en nuestro país, son la
energía geotermal, la hidráulica, la eólica y actualmente en exploración, la solar.
La energía solar es la que el planeta recibe del sol, la estrella más cercana a
nuestro planeta. Esta es un producto de la fusión del núcleo de hidrógeno para
resultar en helio. Aproximadamente cada segundo se convierte 650 millones de
toneladas de hidrógeno en 646 millones de Helio. La diferencia de 4 millones se
convierte en energía. La energía liberada viaja en una primera etapa a través de
radiación hasta 0.7 veces el diámetro del sol, el resto a través de convección. [I-9]
Esta energía es aprovechada por las plantas para hacer su proceso de fotosíntesis y
transformarla en energía para ellas. De este se derivan otros recursos como el
viento, la energía Undimotríz (olas), la biomasa y la hidroelectricidad. Aunque
cada uno tienes sus propias características, todas tienen en el sol como su origen.
[I-10]
Como especie podemos aprovechar esa energía y transformarla en electricidad y en
radiaciones de calor. Ya desde tiempos ancestrales se han desarrollado tecnologías
que la aprovechan, como el secado de la ropa, la carne, el reloj solar, etcétera. Sus
primeros pasos como parte de la ciencia, fueron en 1838, cuando Edmund Bequerel
observó y publicó hallazgos acerca de la naturaleza de la materia para convertir la
luz en energía, y aunque fueron interesantes, no se le dio seguimiento. [I-11]
La Tierra recibe del sol 174 petaWatts1 de la insolación solar en la parta alta de la
atmósfera anualmente [I-12]. De ese total, aproximadamente el 30% se refleja de
nuevo al espacio mientras que el resto es absorbido por la superficie del planeta. El
espectro de luz que se encuentra en la superficie del planeta está
aproximadamente en el rango entre la luz visible y cerca del infrarrojo, con una
pequeña parte de rayos ultra violeta. [I-13]
1 1x10
15, o mil billones de Watts.
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Del total de la energía absorbida por la atmósfera, océanos y superficie terrestre,
es de aprox. 3‟850,000 Exajoules por año [I-14]. Esta es más energía recibida en una
hora que el total del consumo de la humanidad en todo el 2002. [I-15]
Conversión de energía solar en electricidad
Actualmente existen dos formas de convertir la energía solar en electricidad. Una
es a través de la tecnología fotovoltaica (FV) y la otra es solar-termal.
La energía fotovoltaica se genera a través de reacciones químicas. Las células
solares son pequeños cuadrados de semiconductores fabricados en finas capas de
una película hecha de silicón o algún otro material conductivo. Cuando los fotones
de la luz chocan con la celda, las reacciones químicas liberan electrones,
generando corriente eléctrica [I-16].
Otra forma de obtener energía es a través de la técnica solar-térmica.
Normalmente este tipo de tecnología se utiliza como calentadores de agua para
aplicaciones industriales, recreativos (albercas) o residenciales. Pero otro uso que
se le puede dar es el de generación de electricidad.
Actualmente, ya muchos países están desarrollando tecnología y utilizando estos
recursos energéticos, sustituyendo los combustibles fósiles, con el propósito de
disminuir sus contribuciones al problema del calentamiento global. Su mayor
problema en el uso, no depende de las tecnologías de las mismas, sino tiene que
ver con toma de decisiones políticas, puesto que en el presente, algunas de ellas
como la eólica, compiten ya con la convencional, no solamente en precios de
kilovatios por hora, sino en términos de eficiencia. Sin embargo, algunas otras se
encuentran en etapas experimentales en algunos casos (como el de la solar en
Sonora), o en otros, su uso no se ha expandido por falta de conocimiento, recursos
económicos o voluntad política.
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Debido a que los efectos del cambio climático están reflejándose en este momento
alrededor del mundo (sequías, inundaciones, huracanes, etcétera), algunos países
comienzan a hacer presión hacia el cambio de tecnología. Países como Alemania,
Holanda, España se adelantaron y generaron políticas públicas que además de
impulsar a la investigación, promovieron entre los ciudadanos la creación de granjas
eólicas y solares, con precios de compra fijos y contratos a largo plazo.
En el caso particular de México, su economía se basa en la venta de hidrocarburos
hasta en un 33% aproximadamente [I-17]. El recurso del petróleo es finito, y aunque
las fuentes actuales comprobadas de yacimientos petroleros alcanzan los 52,300
millones de petróleo crudo equivalente [I-18], no serán eternas. El gobierno actual
cabildea ante el congreso la entrada de iniciativa privada para la exploración y
explotación de yacimientos en aguas profundas, pero eso es solamente una solución
de corto plazo, ya que aumentaría la reserva a lo sumo unas décadas más. Es muy
posible que antes de que se acabe el petróleo, este se convierta en una forma
obsoleta de energía. Si en México no se toman las medidas preventivas, y se decide
pronto, es muy probable que continuemos como consumidores de tecnologías
extrajeras, pero sin el dinero de los ingresos petroleros, lo que sin duda nos llevaría
a otro colapso en la economía.
El presente estudio en particular, está enfocado al Estado de Colima; un estado
pequeño en tamaño (5625 Km2) y en habitantes (568,000 según el conteo 2005 del
INEGI). Esta entidad cuenta con una considerable cantidad de recursos naturales
(sol, viento, olas, biomasa), que pueden ser aprovechados en la generación de
energía eléctrica a través de las Nuevas Energías Renovables (NER). Actualmente, la
energía eléctrica que consume el estado se genera a través de la planta
termoeléctrica en Manzanillo, cuya principal fuente de energía es el petróleo, el
carbón, y de reciente aprobación, el gas natural. (CFE).
Esta planta, tiene una capacidad de generación de 1900 MW, y provee de energía a
los Estados de Colima, Jalisco, Michoacán, Nayarit entre otros (dependiendo de la
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demanda). Esto lleva a preguntarnos: ¿Qué tan viables son las energías renovables
para el Estado?
El presente estudio plantea como uno de sus objetivos indagar, qué tanto ayudaría
al ambiente y a la economía local, tener una planta de energía solar que sirva de
apoyo al suministro actual. Asimismo, el estudio muestra las características de las
nuevas tecnologías y las experiencias de éstas en otros países, así como las maneras
en que podrían aplicarse aquí y qué tan factibles son, con los recursos naturales con
los que cuenta el estado.
Asimismo, la intención de este trabajo es que sirva como una herramienta útil y
sencilla a los tomadores de decisiones sobre este tipo de tecnologías, para que su
análisis y evaluación como una posibilidad de que puedan ser impulsadas en nuestro
estado, y que los lleve a su vez a propiciar un cambio de paradigmas en el uso y
generación de la electricidad; y por ende, en la manera de pensar y de hacer las
cosas, porque la situación ambiental es bastante delicada y habrá que modificar la
manera de uso y conservación de los recursos.
Si toda la energía eléctrica que consume el Estado pudiera ser generada por medio
de las Nuevas Energías Renovables (NER), se evitaría lanzar a la atmósfera
toneladas de dióxido de carbono, de óxidos nitrosos y otras partículas, debido a que
los recursos que tiene el estado, lo hacen idóneo para comenzar proyectos de esta
índole, y en su caso, puede servir como antecedente para proyectos similares en la
república mexicana.
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Capítulo 1 - Marco Teórico
1.1 El sector energético en México
En México, la primera fuente básica de energía fue la biomasa (leña). Cuando ésta
fue usada como carbón vegetal, así como el descubrimiento de grandes yacimientos
de carbón mineral, fueron un factor importante en el impulso que tuvo el país en
el siglo XIX. Aún cuando ha sido relegado al tercer lugar en la preferencia del
consumo nacional (detrás del petróleo y el gas), sigue siendo la reserva de energía
más importante del mundo. [1-1]
A mediados del mismo siglo, se comenzó en México la era de los energéticos
industriales: Se construyeron en 1876 la primera planta eléctrica en León, y en 1887
la primera refinería en el puerto de Veracruz.
En 1894 se promulgó el primer ordenamiento en materia de electricidad, y en 1901
la primera ley relativa al petróleo. En ese mismo año la compañía petrolera “El
Águila” perforó el primer pozo petrolero de tipo industrial en la Huasteca.
Con el inicio de las actividades de extracción petrolera, vinieron los accidentes,
provocados principalmente por la tecnología de la época. Cabe señalar el incidente
de Dos Bocas, donde durante 2 meses se fugaron el equivalente diario a 200,000
barriles, además de muchos otros. [1-2]
Con la promulgación de la constitución de 1917, se le da a los recursos naturales del
país un carácter de propios. A partir de entonces, la política energética nacional
buscó que la participación nacional aumentara en el aprovechamiento de los
recursos, quitándoles el poderío que tenían las empresas extranjeras sobre los
mismos.
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En 1925 se promulgaron la Ley reglamentaria del artículo 27 constitucional en el
ramo de petróleo, y en 1926, el Código Nacional Eléctrico. Además en 1936 se creo
la compañía “Petróleos de México, S.A.” (Petromex) y al año siguiente, La
“Comisión Federal de Electricidad” (CFE).
Entre 1920 y 1925 se presentó el primer boom petrolero en México, pasó a ser el
primer exportador y el segundo productor a nivel mundial. La producción de
petróleo crudo alcanzó un máximo de 193 millones de barriles en 1921, volumen
que no fue superado durante 50 años. Para 1974 se produjeron 210 millones de
barriles, y para 1999 se alcanzaron los 1,548 millones.
Al crearse la CFE, el país contaba con una capacidad instalada de 629 MW, de los
cuales 90% pertenecían a 2 compañías, que se encargaron de la electrificación de
las principales poblaciones del país.
El 18 de marzo de 1938 se llevó a cabo la expropiación petrolera, a cargo del
presidente de México, el general Lázaro Cárdenas. Su principal propósito es el de
garantizar el abasto interno, poniendo al petróleo como el energético más
importante del país. Un año más tarde (1939) se expidió la Ley de la industria
eléctrica. Otorgándole a CFE prioridad sobre los recursos, así como un beneficio
del impuesto del 10% de uso de energía eléctrica, para fomentar su ampliación.
En las últimas décadas, el Sistema Eléctrico Nacional (SEN) se ha desarrollado a un
ritmo acelerado. En 1960 la capacidad de generación instalada en México era de
3,021 MW. Algunos aspectos relevantes del SEN son la utilización de mayores
tensiones para la transmisión, la interconexión de sistemas, el desarrollo de grandes
proyectos hidroeléctricos y termoeléctricos, así como el aprovechamiento de
energía geotérmica, nuclear, carbón, y de manera incipiente, eólica. En 2008 se
consumió a nivel nacional 207, 859 GWh, con un promedio de crecimiento anual de
3.6 % en el periodo 1998-2008 [1-3]
12
La razón de porqué se utiliza al petróleo como fuente principal de energía primaria
es de carácter política-económica, no solo de disponibilidad de recursos
energéticos. Su participación con respecto al PIB se mantiene en porcentajes altos y
es el principal motivo de ingreso a las arcas del gobierno. [I-1]
En los años setenta, la crisis mundial del petróleo originó un incremento en los
precios de manera desproporcionada. Esto motivó a las naciones dependientes de
este recurso a buscar otras alternativas de energía para satisfacer sus crecientes
economías. Con esto se voltearon a ver a las energías renovables, mientras que
México vivió un momento de auge económico por lo alto de los precios del
hidrocarburo.
En los ochenta, se mostraron los resultados que crearon la teoría del Cambio
Climático Global [I-2], originado por la emisión de gases de efecto invernadero. Esto
provocó que las naciones se replantearan la importancia de usar energías limpias
renovables.
En México se creó en 1989 la comisión intersecretarial, de la Secretaría de la
Energía. Está representada por un órgano desconcentrado del mismo llamado
Comisión Nacional para el Ahorro de Energía (CONAE), cuyo nombre actual es
Comisión Nacional para el Uso Eficiente de la Energía (CONUEE) [1-4], se asoció en el
2002 con la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES) para operar el Consejo
Consultivo para el Fomento de las Energías Renovables (COFER). La principal labor
de la CONUEE es la de promover conocimientos sobre las tecnologías actuales para
su utilización.
1.2 El sector eléctrico en Colima
Las plantas termoeléctricas de Manzanillo I y II son las que actualmente proveen de
energía eléctrica al Estado y a sus alrededores (principalmente Guadalajara en
Jalisco). Tienen una potencia o capacidad máxima de 1900 MW y para funcionar
13
utilizan combustóleo y a partir del 2011, gas natural. Su manera de operar es del
tipo „ciclo combinado‟, esto quiere decir que se aprovecha tanto el poder de la
presión del gas al inflamarse como el del vapor que se genera al ser generado por la
combustión.
Un estudio de consumo e impacto se detalla más adelante, ya que debido a su
tecnología, se arrojan al aire desechos, producto de la combustión del hidrocarburo
(combustóleo) que tiene impacto a nivel local, regional y global. [7-3]
El consumo del Estado es moderado, en comparación de otros, como Jalisco o
Michoacán. Pero no por eso deja de ser importante. Como se verá más adelante, el
patrón de consumo marca un constante crecimiento. Para disminuir el impacto en
la zona, este estudio trata de ver alternativas para la generación de la electricidad.
A continuación se verá una descripción de las tecnologías actuales en el ramo de la
generación a través de la energía solar térmica.
14
Capítulo 2 - Tecnología Solar Térmica
Se basa en el aprovechamiento de la radiación solar para la generación de
electricidad. Estas tecnologías han sido, de alguna forma, más tradicionales. Su
principio básico es el de calentar fluidos con la ayuda del sol para crear vapor que
movilice un generador eléctrico.
Básicamente, la generación de electricidad a través de la energía térmica solar se
puede realizar mediante el proceso de los siguientes pasos:
1. Concentración de la radiación a través de un colector.
2. Incremento de la densidad de flujo de la radiación (de ser necesario).
3. Absorción de la energía termal y almacenamiento en otro medio.
4. Transferencia de la energía termal a una unidad de conversión de energía.
5. Conversión de la energía termal en energía mecánica utilizando un motor
termal (ejemplo Turbina de vapor).
6. Conversión de la energía mecánica en electricidad a través de un generador.
2.1.1 Concentración
Si se necesitara una mayor temperatura de operación que la obtenida con espejos
planos, es necesaria la concentración. La radiación solar se capta por medio de un
conjunto de espejos curvos (heliostatos), o un arreglo de espejos planos en
diferentes ángulos que reflejan la luz del sol concentrándola en un único punto o
foco. Algunos sistemas pueden seguir el movimiento del sol durante el día
controlándolo mediante computadoras y motores, ya que el movimiento del sol
varía con la latitud, la época del año y el día.
El foco funciona como receptor de la energía termal que la transfiere al fluido de
trabajo (agua, aceite, aire, sal fundida, etc.) que a su vez es el encargado de
transmitirla a otra parte de la central termosolar. Generalmente, el calor es
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transmitido al medio de conservación, que aprovecha la energía térmica para hacer
mover una turbina.
Las plantas con receptores centrales tienen cocientes de concentración de 300 a
1500, por lo que son altamente eficientes pudiendo operar a temperaturas entre
500 y 1500 °C.
Existen dos configuraciones:
Los espejos rodean completamente la torre central (cilíndrica y de superficie
con alta conductividad térmica)
Los espejos están colocados en el norte de la torre receptora.
Otra variedad de centrales solares térmicas de alta concentración son los discos
parabólicos. Estos discos son colectores que rastrean el sol en 2 ejes, concentrando
la radiación solar en un receptor ubicado en el foco de la parábola. El receptor
absorbe la energía convirtiéndola en energía térmica. Inmediatamente se puede
transformar la energía térmica en energía eléctrica mediante un generador o
también puede ser conducida mediante turbinas a una central de conversión.
Los colectores parabólicos tienen, entre otras, las siguientes características:
Están orientados directamente al sol
Son los colectores que presentan la mayor eficiencia.
Tienen radios de concentración de alrededor de 600 a 2000.
Pueden alcanzar temperaturas superiores a los 1500°C.
Este tipo de sistema utiliza como fluido aceite o vapor de agua.
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Torre
Solar
Dish/Stirling Parabólica Reflector
Fresnel
Estanque
Solar
Torre
elevada
Capacidad
típica en MW
30 -200 0.01 - 1 10 – 200 10 – 200 0.2 – 5 30 – 200
Capacidad
Real (MW)
10 0.025 80 0.3 5 0.005
Factor de
concentración
600–
1000
Hasta 3000 50 – 90 25 – 50 1 1
Eficiencia en
%
10 – 28 15 – 25 10 – 23 9 – 17 1 0.7 – 1.2
Estado de
desarrollo*
2 2 3 1 2 2
Tabla 2.1: Comparación de factores de concentración y parámetros técnicos.
* (1) Operación exitosa de plantas de demostración.
(2) Operación exitosa continúa de plantas de demostración.
(3) Plantas comerciales en operación.
Fuente: I-4
2.1.2 Absorción de la radiación
Todos los materiales tienen la capacidad de absorber la radiación de la luz solar,
pero cada uno actúa de diferente manera dependiendo de su naturaleza. Una vez
que los fotones golpean los átomos, ocurren dos fenómenos naturales: la
conducción (el calor viaja hacia el centro del material) y la radiación o convección
(emisión del calor hacia fuera).
Esto es de vital importancia, ya que de ahí parte el principio para la absorción de la
energía seleccionando el material adecuado, uno que tenga alta capacidad de
conducción, y poca capacidad de convección.
17
2.1.3 Almacenamiento
Debido a que el flujo de la radiación solar depende del movimiento (día y noche) así
como de los fenómenos naturales, no es un factor constante. Para reducir estas
inconstancias es necesario almacenar la energía termal de alguna manera.
De las diferentes técnicas para hacerlo, se distinguen en dos tipos:
Almacenamiento del medio de transferencia de calor: El medio se almacena
directamente en contenedores de energía. Es necesario un medio relativamente
barato y con alta capacidad de conservación de temperatura. Los ejemplos típicos
para esto son el aceite térmico y la sal fundida. Aunque ya hay pruebas con
agua/vapor.
Almacenamiento de masa: En este caso el medio transmisor carga un segundo
material. Este tipo de sistemas se utiliza cuando el medio transmisor en sí es
demasiado caro (ej. aceite sintético) para amortiguar gastos. Se puede utilizar un
medio de recubrimiento para impedir en lo posible pérdidas por radiación hacia el
exterior. Las combinaciones típicas son aceite térmico/concreto, aceite/sal
fundida, vapor/aceite-arena y aire/ladrillos de cerámica. Su ventaja es su precio, y
su desventaja es la doble pérdida de energía por convección, durante la carga y la
descarga térmica del material.
2.1.4 Transferencia de la energía
Las turbinas son dispositivos que convierten la energía cinética de un fluido en
energía mecánica. Se pueden poner a través de un flujo y aprovechar la fuerza para
transmitirla hacia un generador convencional.
No toda la energía que reciben puede ser convertida. Las turbinas tienen factores
como energía no convertible, fricción y fugas, que limitan la eficiencia del equipo.
18
Las turbinas de vapor tienen una eficiencia de alrededor del 40%, mientras que las
de gas están alrededor del 55%.
2.2 Centrales generadoras de electricidad termosolar
Ya con los principios definidos, se enumerarán en un breve resumen las
características principales, así como los costos ambientales y económicos de los
diseños que se han probado de manera comercial.
2.2.1 Plantas de torre solar
Son sistemas basados en una torre central, con espejos alrededor que se encargan
de desviar el has de luz hacia el receptor en la punta de la torre. Estos espejos
cuentan con movimiento en dos ejes con la ayuda de motores, que pueden ser
alimentados y controlados centralmente (con electricidad convencional) o ser
autónomos y pre-programarse para obtener el mejor ángulo. Los cambios de ángulo
se pueden dar a nivel de segundos, y para calcularse se toma en cuenta la posición
del sol, la del espejo y la relativa a la torre. No todos los espejos se concentran en
un solo punto. Se programan para que calienten uniformemente una superficie. El
tamaño del espejo puede variar entre 20 y 150 m2, aunque el mayor actualmente es
de 200.
Figura 2.1: Central termosolar “Solar two” en California, Estados Unidos. Fuente: Alternative Energy Info
(http://www.alt-energy.info/solar-power/is-molten-salt-the-secret-sauce-for-solar/)
19
El tamaño y la conformación del campo de espejos helióstatos depende de la
economía y de la clase de dispositivos de seguimiento se estén usando.
Dependiendo del hemisferio terrestre donde se encuentre la planta es la posición
relativa a la torre que tendrán los espejos (norte en el hemisferio norte, y
viceversa).
La altura de las torres también depende de la economía y configuración del sitio.
Las torres más altas tienen más capacidad de recibir energía de más espejos, por lo
que se puede calentar más. Pero su costo de construcción es mayor, así como su
mantenimiento. La altura usual de las torres está entre los 80 y los 100 metros.
Pueden hacerse tanto de concreto como de estructuras de acero.
2.2.2 Plantas parabólico-cilíndricas de línea
También llamados de baja radiación, estos sistemas se basan en la concentración de
la radiación solar en una línea continua que es la que lleva el transmisor de energía
calórica. Bajo esta se encuentra una serie de espejos parabólicos de forma cóncava,
que la alimentan. A diferencia de otros sistemas de concentración, como los de
torre, logran menores temperaturas que éstos, pero se puede compensar con menor
costo de operación, así como una estructura y mantenimiento mucho más sencillos.
Debido a que son de tipo modulares, y la forma característica de los colectores, se
ganaron el nombre de “granjas solares”. El fluido que se mueve por el tubo es
calentado y transportado a una red de tuberías diseñada para minimizar las
pérdidas de enegía. Los sistemas parabólicos generalmente constan de una línea
focal horizontal simple permitiéndoles rastrear el sol a lo largo de un solo eje
Norte-Sur o Este-Oeste. Una orientación Norte-Sur provee un poco más de energía
anual que una Este-Oeste, pero el potencial en invierno es menor en latitudes
medias. Por el contrario, una orientación Este-Oeste provee una captación más
constante a través del año.
20
Figura 2.2: Planta solar de baja concentración en Kramer Junction, California. Fuente: NREL
(http://www.nrel.gov/learning/re_csp.html?print)
Los sistemas parabólicos operan a temperaturas entre 100 y 400°C, y los espejos
parabólicos cuentan con un sistema de rastreo unidimensional, cambiando el ángulo
de los colectores con respecto a la línea central del receptor.
Los elementos con los que cuenta esta planta son los siguientes:
Colector. Es la superficie que se encarga de desviar y concentrar la radiación solar
en un punto en común, donde se coloca el receptor. Sus formas más utilizadas son
como un espejo colector cilíndrico continuo o el llamado colector Fresnel. El
primero puede fabricarse de diversos materiales, como la lámina de metal o
espejos de cristal en un arreglo arqueado es el que se usa actualmente de manera
comercial, y tiene una eficiencia de reflexión hacia el foco de aproximadamente
94%. El segundo consta de una serie de espejos planos acomodados de tal manera
que apuntan a un punto focal en común. Puede tener movimiento individualmente o
en grupo, por lo que su control tiene que ser más sofisticado. Tiene menor poder de
concentración y calentamiento que su contraparte cilíndrica, por lo que se ha
probado y usado comercialmente muy poco. Su ventaja es que no ofrece resistencia
al viento. El primer uso comercial que se le dio fue en 2004 en Liddell, Australia.
Receptor-absorbedor. En el punto focal al que los colectores apuntan, se encuentra
el receptor. Se encarga de absorber la radiación para pasarla al medio de
transmisión. Para los sistemas cilíndricos se utiliza un solo tubo, mientras que para
los colectores Fresnel se puede usar un arreglo de varios tubos, ya que su área de
21
enfoque es más ancha. La manera más óptima se ha logrado con tubos de acero
inoxidable cubiertos con una capa de cristal, dejando un espacio al vacío entre uno
y otro. Esto permite una gran captación de la radiación y muy poca emisión
externa. La temperatura en operación puede llegar a ser entre 450 y 500°
Centígrados.
Medio de transferencia de calor. Actualmente, se ha desarrollado un aceite
sintético con alta capacidad de retención. Su principal desventaja es que su tope
de temperatura está cerca de los 400°, y por su inestabilidad térmica es necesario
presurizarlo (a 18 bar2 aproximadamente).
Otra opción puede ser la sal fundida. Debido a que tiene mejor estabilidad y
capacidad calorífica, puede trabajar a mayores temperaturas, reduciendo costos.
Hasta la fecha solamente se han hecho prototipos con estos materiales.
El vapor puede ser una tercera opción, y los investigadores esperan una alta
reducción de costos, ya que se puede operar a mayores temperaturas, y se evita la
etapa de la transferencia de calor, ya que va directamente a las turbinas. Las
desventajas que presenta pueden ser resueltas con la tecnología actual, como la
presurización del calentador, para que tenga un flujo constante y un calentamiento
uniforme. Debido a las altas presiones con que se maneja (de 50 a 100 bar) es
necesario usar tubos receptores con paredes más gruesas.
2.2.3 Sistemas Disco/Stirling
Los sistemas de Disco (Dish) / Stirling consisten principalmente en un colector en
forma de disco parabólico, un receptor en el punto focal, un motor Stirling en el
montaje y un generador interconectado.
La estructura en la cual el sistema está montado, tiene la capacidad de rastrear el
sol en dos ejes, ya que cuenta con motores eléctricos que controlan su posición.
Pueden además tener la opción a un quemador de gas natural auxiliar.
2 Unidad de presión equivalente a 0.987 atmósferas o 100 kPa
22
Figura 2.3: Colectores parabólicos solares Stirling. Fuente: New Fuel Now.
(http://www.newfuelnow.com/definitions/whatissolarpower/)
A continuación se enumeran y describen sus componentes principales.
Concentrador parabólico. Puede estar hecho de una sola pieza, o varios segmentos
individuales formando la base parabólica. El material más óptimo utilizado es una
aleación ligera de metal o un plástico que se somete a estrés y presión para darle la
forma deseada. Su tamaño más común es el de 25 metros de diámetro. Tiene un
cociente de concentración de radiación entre 1,500 y 4,000.
Estructura de montaje. Es donde se monta todo el sistema. Su forma y tamaño está
determinada por la forma del colector, aunque su tendencia está marcada hacia las
mesas redondas. Esto se debe a que sirven para ahorrar material, y como sistema
de rastreo del sol.
Sistema de rastreo del sol. Es el que permite el movimiento libre del colector.
Siempre debe mantenerlo en ángulo paralelo al eje del mismo.
23
Receptor. Es la parte más caliente del sistema, ya que toda la radiación se
concentra aquí. Puede funcionar con medios de transferencia de calor, o absorción
directa. Maneja temperaturas entre los 600 y 800° centígrados.
Motor Stirling. Tiene la capacidad de convertir la energía térmica en mecánica.
Pertenece a la familia de los motores que manejan la diferencia de presiones del
gas y, a diferencia del motor de Otto o de Diesel, su forma energía la obtiene de
manera externa; lo que lo hace ideal para el trabajo con la energía termosolar.
2.2.4 Torres de aire ascendente
Este tipo de sistemas viene siendo mencionado desde hace más de 70 años. Consta
principalmente de una chimenea, un techo de vidrio alrededor de esta y una o
varias turbinas en la base de la chimenea.
Figura 2.4: Diseño de una torre de aire ascendente. Fuente: www.solar-tower.org.uk
El principio básico es que el aire que entra por la parte inferior al techo, que es
abierta, se calienta por la acción de la radiación solar, Y al ser menos denso que el
aire de afuera, sube por la chimenea. Esto provoca una corriente que al pasar por la
24
base hace que la o las turbinas que estén ahí se muevan y produzcan la
electricidad.
Se le puede agregar un depósito térmico con mangueras o bolsas negras rellenas de
agua, que se calientan durante el día para seguir irradiando durante la noche. Con
esto se puede mantener la temperatura del aire interno para continuar con la
operación durante la noche, ya que el agua es un regulador natural de temperatura.
La eficiencia de la planta aumenta con la altura de la chimenea, mientras que su
capacidad de generación también se relaciona directamente con el diámetro del
campo del colector.
Sus componentes principales son los siguientes:
Colector. Consiste en un techo horizontal, hecho de vidrio translúcido o plástico a
una altura entre 2 y 6 metros, el cual permite la entrada de las ondas de radiación
solar (ondas cortas) pero impide la salida de las ondas de calor generadas (ondas
largas). Esto provoca que el aire debajo de éste se caliente y busque una salida.
Almacén. El sistema en sí tiene la característica de un pico de aumento en las horas
cercanas al mediodía y una disminución drástica en las horas que no hay sol. Si se
quiere lograr una distribución más uniforme de la producción, se puede colocar este
almacén de energía térmica con las bolsas y/o mangueras. Esto funciona como
regulador de temperatura, reduciendo la producción en horas de sol, pero
manteniéndola constante en alrededor del 40% de capacidad de producción para
toda la noche.
Torre. La torre es en sí el motor termal del sistema. La fuerza de ascenso del aire
está relacionada directamente con el incremento de la temperatura en la base y la
altura de esta, por lo que para usos industriales es necesario construir torres de
varios cientos de metros de altura.
25
Construir una obra de estas es un gran reto. Sin embargo, la tecnología de hoy ha
demostrado que es posible. Alrededor del mundo se encuentran obras de ingeniería
la cual ya rondan esa clase de alturas; Como el edificio Burj Dubai, de 700 metros
de altura. Además de que la chimenea es en sí un gran cilindro hueco.
Turbinas. Son las encargadas en transformar la energía cinética del flujo de aire en
energía mecánica. Pueden colocarse con el eje vertical dentro de la chimenea o en
la base de esta, de forma concéntrica.
2.2.5 Plantas de estanque
Este tipo de plantas aprovechan la estratificación del agua como un colector de
energía. En un estanque relleno con salmuera (solución de agua con sal) Las aguas
que están más arriba sirven como colectores, y las más profundas (cuya densidad
salina es mayor) como almacenes de energía. Dada la misma densidad de la sal,
que genera una convección natural de temperaturas entre las capas así como de la
evaporación de la superficie, permite que se puedan obtener temperaturas de 80 a
90 grados centígrados del fondo del estanque.
A continuación se describen cuales son los elementos que conforman este tipo de
plantas:
Estanque colector: Puede ser una laguna natural o artificial. Las diferentes
concentraciones de sal en el agua permiten la estratificación, o formación de
capas. Constantemente hay que estar monitoreando el flujo, ya sea extrayendo la
energía, o agregando mas sal a la solución.
Intercambiadores de calor. Es un sistema de tuberías donde se toma el agua fría del
mismo estanque para ser convertida en vapor por el generador, al tomar este la
energía térmica del agua a mayor temperatura.
26
Motor termal: Convierte la energía térmica solar en energía mecánica, y de ahí en
electricidad. Normalmente lo hace a través del proceso de ORC (Organic Rankine
Cycle), este consiste en calentar un fluido orgánico con energía térmica (en este
caso el sol) para aumentar la presión de este y hacerlo pasar a través de un
generador. Una vez del otro lado, el fluido pasa a una torre de enfriamiento y
bombeado de regreso al depósito original del fluido.
27
Capítulo 3 –Proyectos funcionando en el Mundo, y en
México
Existen ya varios ejemplos de proyectos de plantas funcionales comercialmente. En
este capítulo se verán algunos de ellos.
3.1 Sistemas de parabólicas cilíndricas
3.1.1 Solana
Este proyecto se desarrolla en Arizona, Estados Unidos. Actualmente está en fase de
construcción, y está planeada para tener una capacidad de generación de 280 MW,
con lo que alimentará a 70,000 hogares. Esta a cargo de una empresa española
llamada Abengoa (www.abengoasolar.com), que tiene el contrato con Arizona
Public Service, la mayor empresa de electricidad en el Estado.
Se compone de espejos cilíndricos parabólicos en línea, con un módulo de
conservación de calor para las horas que no hay sol.
Figura 3.1: Modelo de funcionamiento de la planta Solana. Fuente: Abengoa Solar
(http://www.abengoasolar.com/corp/web/en/our_projects/solana/index.html)
28
El sol calienta la sal, que fluye en una red de tubos desde los tanques a través de
los espejos parabólicos y los calentadores de agua. El agua llega desde el
suministro y pasa por el pre-calentador, el generador de vapor, y el super
calentador. El vapor más caliente se utiliza para mover la turbina, mientras que el
agua que ya se condensó pasa por un re-calentador, para también llegar a la
turbina. Una parte se recicla en el proceso mientras otra sale por el condensador
para terminar en la torre de enfriamiento.
El módulo agregado de los tanques de sal, es el que permite almacenar el calor del
día para utilizarlo en los periodos nocturnos. Esta planta tendrá una superficie de
200 hectáreas. [3-1]
3.1.2 SEGS
Es el nombre de un proyecto por sus siglas en inglés (Solar Electricity Generation
System) Es un conjunto de nueve plantas en el desierto de Mohave, en California.
Se construyeron entre 1985 y 1991, teniendo una capacidad sumada de 354 MW, lo
que le da al conjunto como la mayor cantidad de electricidad generada por vía
solar. Utilizan aceite térmico como medio de transmisión, y tienen además la
capacidad de funcionar en la noche, ya que cuentan con quemadores de gas
natural.
3.2 Sistemas de Torre
3.2.1 Solar One
Este fue un proyecto que se desarrolló en el desierto de Mohave, en California. La
planta estuvo en operación desde 1982 hasta 1987. Su capacidad era de 10 MW y
fue la prueba de que se podían crear centrales solares que produjeran a escala de
los megawatts. Uno de sus inconvenientes era que durante las horas que no tenía
luz suficiente (cielo nublado) su rendimiento era insuficiente. Su relación
29
radiación/producción era directamente proporcional. Es decir, mientras más
radiación solar, más producción de electricidad.
3.2.2 Solar Two
Es una mejora a la primera planta, que nació con la idea de solucionar los
problemas de Solar One, como las interrupciones en la generación. Se le agregó
cierta independencia al agregarle un módulo de conservación de energía, y se le
cambió el medio de transmisión de calor a sales fundidas (Solar One funcionaba a
base de vapor). Este agregado le da un extra de 3 horas después de que se oculte el
sol para producir energía. También produce 10 MW.
3.2.3 Phoebus / TSA / Solair
Es una tecnología para plantas que opera con aire como conductor. Tiene un
receptor de aire abierto en la cumbre de la torre. Su capacidad de operación es de
3 MW y en caso de necesitarlo, tiene un quemador de gas natural entre el receptor
y el generador de vapor. Esto le da independencia total para trabajar con cielo
nublado, e inclusive en la noche.
3.2.4 PS10
Está diseñada por un consorcio europeo que aprovechó la experiencia de la
tecnología Phoebus. Se empezó a construir en el sur de España en el 2004.
Solamente se le modificó una cosa al diseño original, añadiéndole un receptor de
tubo que inyecta vapor presurizado a 40 millones de barias (40 atmósferas aprox.) a
una temperatura de 250°C. El almacenaje de energía tiene una capacidad de 20
MWh, dándole una capacidad de operar por 30 minutos a una potencia del 70%.
30
3.2.5 Solar Tres
Es un diseño basado en los proyectos anteriores, aprovechando la experiencia de los
mismos. Esta planeada para estar en Andalucía, España. Tiene una capacidad de 15
MW y está diseñada para usarse exclusivamente con energía solar (excluye el
quemador de gas natural). Cuenta además con un medio de almacenamiento de 200
KWh, superior al de sus antecesoras, lo que le da una autonomía de 16 horas.
Podrá funcionar las 24 horas del día en verano, y tendrá una eficiencia de
generación anual de 65%.
3.2.6 Sistemas de Disco (Dish) / Stirling
Por su diseño compacto y rendimiento, son ideales para conectarlos a micro o
pequeñas redes. Si se combinan con baterías o sistemas auxiliares de calentamiento
(quemadores de gas) pueden ser utilizados para alimentar comunidades rurales.
Dada la alta competencia con otros sistemas, los desarrollos actuales se concentran
en operación automatizada y recorte de costos.
A continuación se da un resumen de los sistemas que han estado o continúan
funcionando en el mercado:
MDAC SES /
Boeing
SAIC /
STM
WGA
ADDS
SBP EuroDish
Año de
operación
84 – 88 Desde 98 Desde 94 Desde 99 1990 –
2000
Desde
2000
Capacidad en
KWnet
25 25 22 9 9 10
Eficiencia en
%
29 – 30 27 20 22 18 – 21 22
Horas de
operación
12,000 25,000 6,400 5,000 40,000 10,000
Disponibilidad
en %
40 – 84 94 50 – 90 80 - 95
Tabla 3.1: Resumen comparativo de sistemas de generación de disco. Fuente: [4-1]
31
3.3 Sistemas de torre ascendente
Debido a su naturaleza, no existe una planta de ese tipo que opere de manera
comercial en grande escala. Al momento de escribir este texto, se ha limitado a
crear estructuras mucho más chicas con el propósito de experimentar los problemas
que se puedan presentar.
3.3.1 Prototipo en Manzanares, España
Se creó en 1982 en la localidad de Manzanares, a 150 kilómetros al sur de Madrid.
Es un prototipo pequeño con el propósito de experimentar los problemas posibles a
una escala mayor.
La chimenea tiene una altura de 195 metros, con un diámetro de 10 unidades. El
área del colector es de aproximadamente 46,000 metros cuadrados, obteniendo un
pico de producción de 50 KW. Su verdadero propósito no era el de la generación
comercial, si no el de la experimentación de diferentes materiales y técnicas para
optimizar el resultado. Aunque el experimento se calculó para 3 años, la planta
duró 8 años. Los refuerzos para la torre terminaron por oxidarse y ceder. Su legado
son los resultados de la prueba, con los cuales se estimó que para una planta de 100
MW era necesario tener una chimenea de 1000 metros de altura, y un diámetro del
colector de alrededor de 7 kilometros, dejando un área de 38 Km2. Debido a que el
costo de la energía está determinado mayoritariamente por la construcción
(combustible „gratis‟, poco mantenimiento y un personal de 7 personas), se
determina casi en su totalidad por las tasas de interés y los años de operación,
variando desde 0.05 Euros por KWh para una tasa de 4% y 20 años hasta 0.15 Euros
por KWh para 12% y 40 años de duración [3-2]
3.3.2 Proyecto Ciudad Real
Existe una propuesta de construir una torre solar de ascenso en Ciudad Real,
España. Si se construye será la primera de su tipo en la unión Europea.
32
Con una altura de 750 metros, tendría aproximadamente el doble que la estructura
más alta en Estados Unidos: el mástil de transmisión de Belmont. [3-3]
El colector cubriría un área de 350 hectáreas y se espera que tenga una capacidad
40 MW de electricidad.
3.4 Plantas de estanque solar
Se han construido plantas de este tipo con capacidades eléctricas en Estados Unidos
(Texas), Israel y Australia, además de India, que la usa para captación calorífica.
Su rango de generación puede ser de entre 5 a 10 watts por metro cuadrado de
superficie. Esto depende de la radiación solar, el nivel de salinidad y temperatura
máxima. En un periodo corto se puede obtener más calor, pero se corre el riesgo de
enfriar el depósito mucho más rápido. En la tabla se muestran los siguientes
ejemplos:
El Paso, EE.UU. Beit Ha’Arava,
Israel
Pyramid Hill,
Australia
Capacidad 300 KWte 5 MW el. max 60 KWte
70 KWel 570 KW el
(promedio)
Superficie del
estanque
3,350 m2 250,000 m2 3,000 m2
el= Eléctricos
te= Termales
Tabla 3.2: Comparación de proyectos funcionando con la tecnología de estanque solar.
33
3.5 Proyectos en México
3.5.1 San Juanico
Es una pequeña comunidad de pescadores en Baja California Sur, de alrededor de
400 habitantes, que debido a la distancia no tienen manera de proveerse de
electricidad de alguna red cercana. En 1980 instalaron un generador que les proveía
electricidad 4 horas al día. Y más adelante se les instaló un sistema híbrido que les
permite tener electricidad las 24 horas del día. Este consta de un inversor de
corriente, que lleva el control, 7 series de baterías de 350 amperes/hora
(capacidad nominal de 2450 amperes/hora), 10 aerogeneradores con una potencia
de 70 MW y un generador de diesel de 80 MW que sirve para cubrir las horas pico y
cuando los otros sistemas no pueden con toda la carga de demanda.
Aproximadamente del total de consumo, entre el 20 y 35% se realiza a través de las
renovables, y el mantenimiento se realiza por 2 personas de la misma comunidad,
que llevan a cabo operaciones de rutina y llevan el registro de causalidades por lo
menos de 20 horas al día.
Figura 3.3: Paneles solares en San Juanico. Fuente: NREL (http://www.nrel.gov/docs/fy04osti/36270.pdf)
Un año después de la instalación, se hizo un estudio para evaluar el impacto
técnico, social e institucional, sobre el hecho de tener este sistema que les permite
a los pobladores tener electricidad las 24 horas del día. En éste se registró el
aumento de las casas con aparatos electrodomésticos, así como la extensión de las
34
labores hogareñas de ser prácticamente exclusivas de la tarde (Cuando el generador
funcionaba) a las mañanas también.
El proyecto ha tenido ciertas dificultades técnicas, pero la gente misma comprende
y reconoce la complejidad del esfuerzo, además de que les ha ahorrado mucho
dinero. [3-4]
3.5.2 Proyecto UNAM
Desde 1975 hasta la fecha el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional
Autónoma de México (UNAM) ha desarrollado el único proyecto para la generación
de potencia eléctrica de canal parabólico. Inicialmente fue de 1 KW con un módulo
de 10 m de longitud y 2m de apertura. En este sistema se realizó generación directa
de vapor de 1975 a 1979. Posteriormente se construyó una planta de 10 KW, la cual
constaba de 16 módulos de canal parabólico con 14.5 m de longitud y 2.5 m de
apertura cada módulo. El área total de espejos fue de 1400m2, circulando un aceite
mineral a través de los tubos absorbedores, calentándose a 300°C. Este aceite se
almacenaba en tanques, y posteriormente se enviaban a un intercambiador de calor
para generar vapor para usarlo en una turbina o motor de pistones con un
generador eléctrico acoplado. Este sistema funcionó de 1982 a 1990.
Posteriormente de 1998 al 2003 se eliminaron almacenes y aceites como fluidos de
transferencia de calor, para convertir al sistema en generador directo de vapor
mediante un cambio de fase líquido-vapor en los tubos absorbedores. Se tuvo que
eliminar la mitad de la planta solar, ya que la operación y mantenimiento salía muy
cara.
En la primera etapa hubo patrocinio de la Secretaria de Energía (SENER), mientras
que en la segunda el patrocino fue de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) y
de la UNAM.
También se realizó el estudio técnico-económico de un sistema híbrido solar-
geotermia para Cerro Prieto por pedido de CFE del 2003 al 2008. En este proyecto
se plantearon varias opciones para incrementar el vapor a partir de la salmuera de
desecho. [3-5]
35
3.5.3 Agua Prieta II
Es un proyecto de la CFE, en conjunto con fondos internacionales, que se viene
gestionando desde el 2006, y al parecer estará lista en el 2013.
Consiste en una combinación de planta solar térmica con ciclo combinado de gas.
La primera tendrá una capacidad de generación de 30 MW, mientras que la de gas
contará con 650.
Parte de los recursos que serán destinados para el campo solar serán donados por el
Fondo Mundial para el medio ambiente (GEF). La cantidad que aportará será de
49.35 millones de dólares. [3-6]
El complejo se ubicará en el municipio de Agua Prieta, Sonora. Estará a 6.3 Km. de
la ciudad de Agua Prieta, y a 2 de la frontera con Estados Unidos.
La planta canales parabólicos, es decir, con los espejos curvos calentando un tubo
con fluido para la generación de vapor, y por ende, electricidad. [3-7]
36
Capítulo 4 - Análisis económicos y ambientales
4.1 Sistemas de torre central
Para saber qué tan viable es un proyecto, es necesario saber el tiempo de vida de
una planta, por ende, es importante conocer el costo de construcción, operación y
mantenimiento, y se divide en anualidades entre los KWh generados. Para poder
comparar con otros medios de generación de electricidad, se estimará una vida útil
promedio de 25 años, con el costo de la construcción prorrateado a una tasa de
interés del 4.5% anual.
Es necesario conseguir un sitio con una radiación promedio anual mínima de 2.3
KW/m2 en la superficie horizontal, y 2.7 de radiación directa. En este caso de
situación hipotética, se recomendaría una planta con una capacidad de 30 MW.
Este tipo de planta tendría los siguientes datos técnicos, de acuerdo con la
tecnología en el estado del arte actual:
Capacidad Nominal 30 MW
Superficie de los espejos 175,000 m2
Horas a carga máxima
(anual)
2,100
Capacidad de
almacenamiento
0.5 horas
Repartición solar 100%
Tiempo de vida técnico 25 años
Tabla 4.1: Características técnicas de una planta de torre central. Fuente: [4-1]
Basándose los precios en euros en el año 2004, para la hipotética planta de 30 MW,
se calcularía el costo en alrededor de 99 Millones. Todo esto basado en cálculos de
los precios actuales de los componentes. El proyecto quedaría desglosado de la
siguiente manera:
37
Concepto Costo (M. de Euros)
Campo de espejos helióstatos 30
Sistema de receptor y generador de vapor 20
Torre 15
Otros componentes 20
Ensamblaje y comisiones 10
Diseño, consulta, ingeniería y misceláneos 5
Total 99
Costos de operación y mantenimiento 1.5 anual
Costo de generación de electricidad 0.13 Euros / KWH
Tabla 4.2: Costos calculados para una planta solar de 30 MW. (Millones de Euros, en 2004) Fuente [4-1]
4.1.1 Costos de operación
El costo de operación y mantenimiento anual se comprime a 50 euros el KW al año.
Para el caso de estudio, se puede calcular a 8.6 Euros por metro cuadrado de
espejo anualmente. Por lo que el costo anual se resumiría en 15 Millones de Euros.
El costo de generación de poder depende de muchos factores. Tales factores son:
Depreciación comercial
Total de inversiones
Costos de operación
Tasa de interés
Número de horas anuales a máxima capacidad.
4.1.2 Análisis ambiental
Diversos factores se tienen que considerar para hacer un análisis a fondo en el
aspecto ambiental.
38
Fabricación. Los materiales para la construcción son prácticamente los mismos que
para una planta convencional. Sus efectos ambientales son solamente durante esta
fase, por lo que puede ser depreciado. Algunos países tienen restricciones más
severas para su construcción, pero como en general se construyen en zonas más
remotas de tipo desértico, no se tienen antecedentes de afectación de tipo
silvestre o humana.
Operación normal. Debido a que la energía solar es de poca densidad, para lograr
niveles de producción suficientes es necesario tener grandes extensiones de área,
se necesita un terreno nivelado que deje a los espejos accesibles. Se tiene que
descartar toda la maleza para vida de estar disponibles, y aunque eso provoque
riesgo de erosión de terreno, la planeación en lugares soleados y secos no
significaría mucho problema. Para una planta de este tipo es necesario tener de 20
a 35 metros cuadrados de instalación por cada MW de capacidad generado.
Impacto visual. Desde el punto de vista de interrupción del paisaje, estas plantas se
limitan a la parte visual de ciertas formas y colores. A diferencia del sistema eólico
de molinos, no tiene partes móviles. Es necesario colocar en la parte más alta de la
torre luces de aviso para la navegación aérea. Dado que el equivalente de altura de
las torres es de 15 a 25% el radio del campo de helióstatos (espejos) la sombra que
puede molestar a los vecinos (fuera del campo) se da solamente cuando el sol se
encuentra a 15° en el horizonte. Es decir, en el anochecer y amanecer.
Para el caso de las emisiones, solamente se da cuando se opera de manera
combinada con los quemadores auxiliares de gas natural, por lo que sus emisiones
son las asociadas al momento de su operación.
Malfuncionamiento. Se pueden esperar las mismas fallas que una planta tradicional
termoeléctrica que consume combustibles fósiles. Una falla propia para esta clase
de plantas podría ser una fuga o derrame del líquido de transferencia de calor, lo
que puede terminar en daños económicos y ambientales.
39
Fin de operaciones. Para evitar daños colaterales, estas plantas se desmantelan
cuando terminan su vida útil. No debe causar ningún problema adicional a las
plantas tradicionales, ya que básicamente se tratan de la misma clase de máquinas
para ambos casos.
4.2 Sistema de cilindro parabólico (granja solar)
4.2.1 Análisis económico
Para continuar la línea de este trabajo, se tomarán en cuenta los costos anuales de
operación y mantenimiento en una situación hipotética para una planta similar a
AndaSol I en España. Nuestra planta tendrá una potencia nominal de 50 MW, y a
continuación se muestran sus datos característicos
Capacidad Nominal 50 MW
Superficie de los espejos 510,000 m2 *
Horas a máxima capacidad (anual) 3,680
Almacenamiento para 7 horas Sal fundida
Participación solar 100% (sin quemadores auxiliares)
Tiempo de vida técnico 25 años
*Suficiente para una capacidad de 80 MW sin almacenamiento.
Tabla 4.3: Datos hipotéticos de una planta de granja solar. Fuente [4-1]
Inversiones. Las inversiones para la construcción pueden variar entre 220 y 300
millones de Euros. Por lo tanto, se asumirá una media de 260 millones. Los costos se
pueden resumir a 5,200 Euros por KW instalado; y se pueden desglosar de la
siguiente manera:
40
Planta de poder (incluyendo balanceo termal) 60 millones
Campo solar incluyendo circuito de fluido para la
transferencia de calor
155 millones
Preparación del terreno (incluyendo accesos,
nivelación, cercado)
5 millones
Almacén de energía termal para 7 horas (opcional) 40 millones
Total 260 millones
Tabla 4.4: Costos hipotéticos de una planta de granja solar.
Fuente: [4-1]
Costos de operación. Se puede calcular en 10 Euros por metro cuadrado
anualmente.
Costo de la generación de electricidad. Tomando en cuenta los costos de inversión,
de operación y mantenimiento, así como la capacidad de generación de
electricidad, se puede calcular el costo por kWh en 0.12 Euros.
4.2.2 Análisis ambiental
Tiene la misma naturaleza que los sistemas de torre central, por lo que las mismas
implicaciones ambientales comentadas anteriormente aplican para este caso.
4.3 Sistema de disco / Stirling
4.3.1 Análisis económico
Al igual que en los casos anteriores, y para tener una manera de comparación, se
toman las mismas medidas para determinar el costo de construcción, operación y
mantenimiento: segmentado en anualidades con respecto a la vida útil del sistema.
Si no se hace otra aclaración, se asume una vida promedio de 20 años, y una tasa de
interés de 4.5%.
41
Aunque estos sistemas se han probado de manera constante desde hace 15 años en
Estados Unidos y en España, no se han puesto a manera comercial todavía. Esto se
aclara debido a que los costos de un modelo experimental a uno fabricado en serie
difieren muchísimo. Para tener un modelo de comparación, se asumirá el costo de
una producción en serie de 1000 colectores, lo que nos dará un precio aproximado
de 45,000 Euros. A este costo se le debe incluir el de transporte, montaje, asesoría
e ingeniería.
Costos de operación. Se calcula que los costos de operación y mantenimiento son de
aproximadamente el 1.5 % de los costos de inversión.
Costos de la generación de electricidad. Este costo se explicará más adelante,
junto con el de operación y el de mantenimiento. Debido a su pequeño tamaño y a
su capacidad de concentración, se puede llegar a máxima capacidad inclusive en
horas promedio. Esto le da un aumento del 30% de energía con respecto a los
sistemas antes descritos. Si se llega a cabo la reducción de costos de producción de
la unidades por el pedido masivo, el costo puede a llegar a se de 0.18 Euros por
kWh.
42
Inversiones
Espejo, estructura, motores y
cimientos
25,000
Motor Stirling incluido en el
receptor
11,000
Transporte, ensamblaje y
comisiones
4,000
Planeación, ingeniería,
consultoría y misceláneos
6,000
Contingencias 4,000
Total 50,000
Costos de operación y mantenimiento 750 anual
Costo de generación de electricidad 0.18 Euros /
Kwh.
Tabla 4.5: Costos de un sistema de disco Stirling. Fuente: [4-1]
4.3.2 Análisis ambiental
Salvo por el hecho de que estos sistemas requieren menos espacio para operar, lo
que los hace ideales en terrenos irregulares o con mucha vegetación, los factores
que afectan a este sistema son similares a los previamente vistos en los otros
sistemas. Para más referencia, consultar el análisis de los sistemas de torre solar.
4.4 Sistema de torre de flujo ascendente
4.4.1 Análisis económico
Para hacer el análisis, se tomará la línea de los anteriores casos. Es decir, dividir el
costo total de la construcción en anualidades durante el tiempo de vida útil de la
planta. El costo de la energía se calcula entonces de los costos de las anualidades,
43
el interés y los gastos de operación y mantenimiento entre los KWh generados en
ese tiempo.
Siguiendo con la misma línea, se considerará una vida útil promedio de 25 años, una
tasa de interés de 4.5% y que el sitio donde se encontrará la planta tiene una
insolación anual promedio de 2,300 KWh/m2
La cantidad de energía producida es proporcional a la radiación solar, la superficie
del colector y la altura de la chimenea; por lo que no se puede existe un estándar
definido. Se puede comenzar por el costo del terreno: si éste es bajo, se puede
considerar una gran superficie del colector, reduciendo así la necesidad de una
torre de mucha altura. Si no es factible un colector con tanta superficie de
recepción, se deberá de considerar una mayor altura en la torre como
compensación.
La siguiente tabla muestra las características más típicas para las plantas,
dependiendo de la capacidad de generación requerida.
Capacidad Nominal
(MW)
5 30 50 100 200
Altura de la torre (m) 550 750 750 1,000 1,000
Diámetro de la torre
(m)
45 70 90 110 120
Diámetro del colector
(m)
1,250 2,950 3,750 4,300 7,000
Producción de
electricidad (GWh
anuales)
14 87 153 320 680
Tabla 4.6: Características idóneas para las plantas de torre de aire ascendente. Fuente: [4-1]
Inversiones. En el caso de este tipo de plantas, se puede calcular un valor
aproximado considerando las características antes descritas. Un valor preliminar de
44
puede dar, por ejemplo, de 43 Millones de Euros para la versión de 5 MW, y de 634
para la versión de 200 MW. Cabe aclarar, que los costos pueden variar mucho con
respecto a las plantas tradicionales. Esto se debe a que no existen antecedentes de
proyectos similares.
Capacidad nominal (MW) 5 30 50 100 200
Costo de la torre (Millones de
euros)
19 49 64 156 170
Costos de colector (Millones de
euros)
11 54 87 117 287
Costos de las turbinas (Millones de
euros)
8 32 48 75 133
Ingeniería, pruebas, misceláneos
(Millones de Euros)
5 17 24 41 44
Total 43 152 223 389 634
Anualidad del costo de inversión
(Millones de euros anual)
2.3 8.2 12.1 21.2 34.4
Costo de operación y
mantenimiento (Millones de euros
anual)
0.2 0.7 1.0 1.7 3.0
Costo de generación de
electricidad (euros por KWh)
0.18 0.10 0.09 0.07 0.06
Tabla 4.7: Comparación entre diferentes versiones de plantas. Fuente [4-1]
Costos de operación. Están calculados en una suma anual de 0.5% del costo de
inversión. Similares a las plantas hidroeléctricas, las cuales tienen un bajo costo
debido a que las únicas partes móviles son las turbinas, además no hay elementos
que estén expuestos a altas temperaturas o presiones, y los materiales de la planta
son muy durables.
45
Costos de generación eléctrica. Se puede calcular con el costo de inversión,
operación y mantenimiento entre la cantidad de energía generada. Como se puede
ver en la tabla 4-6, varía dependiendo de la cantidad generada por la planta.
4.4.2 Análisis ambiental
Los efectos ambientales de este tipo de plantas son similares a los de las otras
plantas analizadas, por lo que se puede ver en la primera sección.
4.5 Sistemas de estanque solar
4.5.1 Análisis económico
Costos de inversión: Se seguirá la misma línea de comparación que con los modelos
anteriores para tener un punto de comparación. En este caso en particular se hace
más difícil, debido a que los pocos proyectos que funcionan son únicos; lo que
dificulta la generalización de los costos y una estimación de precios en el mercado.
Para este caso se ha determinado una planta con potencia de 5 MW y un precio de
40 euros por metro cuadrado de superficie del estanque. Este precio se estima con
valores de la obra civil y la geo-membrana que evita las filtraciones en el fondo del
mismo. En total se aproxima a unos 2,000 Euros por KW de potencia.
Costos de operación: Para calcular este costo, se ha tomado el valor del 1% del
costo de inversión. Se tienen que tener en cuenta el mantenimiento del motor
térmico, así como las bombas de la salmuera y todo el equipo necesario para
mantener el nivel adecuado de flujo de calor y salinidad. Para este ejemplo se
toma en cuenta que el suministro del agua para el estanque es gratuito. De lo
contrario, se tiene que tomar en cuenta en el costo de la operación.
Costo de la generación de la electricidad: Se obtiene el costo dividiendo las
anualidades entre la energía generada en ese mismo rango de periodo.
46
4.5.2 Análisis ambiental
Para casi todos los aspectos, tiene las mismas repercusiones ambientales que los
proyectos antes descritos. Tiene cero emisiones al ambiente, así como nula
generación de subproductos radioactivos. Por otro lado, la necesidad de cantidades
industriales de agua fresca lo puede hacer prohibitivo en un lugar que tenga
problemas con este recurso. Además, la salmuera afecta a la vida silvestre, por lo
que exige mucho cuidado con el uso.
4.6 Sistema Termoeléctrico Actual
Este párrafo es el que corresponde al actual funcionamiento y operación de la
planta termoeléctrica en Manzanillo. El propósito es tener un modelo comparativo
para ver la viabilidad de cualquier proyecto.
4.6.1 Análisis Económico
No se pudo hacer debido a falta de información por parte de las personas
encargadas en la CFE.
4.6.2 Análisis Ambiental
Es posible identificar la primera fuente de impacto en los gases producto de la
combustión en el ciclo combinado. Hay tanta contaminación térmica, debido a la
alta temperatura que están los gases al ser expulsados a la atmósfera, como
contaminación química por los gases en sí. Aún con el ahorro de contaminación al
utilizar como combustible el gas natural, por cada GWh de electricidad generado se
vierten a la atmósfera: [4-2]
824 toneladas de dióxido de carbono (CO2)
251 kilogramos de óxidos nitrosos (NOx)
47
336 kilogramos de dióxido de azufre (SO2)
1.176 toneladas de partículas sólidas en suspensión
Para poder funcionar, cada unidad de 300 MW consume 68 toneladas de
combustóleo por hora. Por regla de 3 se calcula un aproximado de 0.2266 toneladas
cada MWh de energía. La siguiente tabla muestra un modelo proyectado del
consumo y desechos por hora, día y año de las 2 plantas, para la potencia total de
1,900 MW.
Periodo de
tiempo
Electricidad
producida
(GWh)
Combustóleo
consumido
(ton)
CO2
liberado
(ton)
NOX
liberados
(ton)
SO2
liberado
(ton)
1 hora 1.9 430.66 1,566 0.4769 0.6384
1 día 45.6 10,336.00 37,574 11.4456 15.3216
1 año 16,644 3‟772,640.00 13‟714,656 4,177.644 5,592.3840
Tabla 4.8: Electricidad producida y residuos de la planta termoeléctrica de Manzanillo
Toda esta cantidad de desechos contribuyen al problema del acumulamiento de
gases de efecto invernadero.
48
Capítulo 5 - Recursos Naturales de Colima
5.1 La radiación solar en el estado de Colima
Para calcular la radiación solar que recibe el planeta en el espacio en la entrada de
la atmósfera es relativamente fácil, ya que es constante y solamente se necesita
hacer cálculos astronómicos y geométricos para saberlo. Sin embargo, saber como
se distribuye la energía recibida en la superficie del planeta es todo un reto.
Muchos factores juegan un rol como lo son formaciones rocosas, nubosidades,
grados de inclinación, latitud, etc.
Para obtener el mejor valor posible para nuestro estudio, se obtuvieron los datos de
un sistema satelital de información por radiómetro (Galindo, et. al., 1991) donde se
tomaron muestras significativas en el transcurso de un año. Mediante la toma de
muestras y la estadística, se realizó un modelo para el país, donde se tomaron
datos por zonas, todos los días. En nuestro caso tomaremos los datos de la cantidad
de radiación solar recibida por la ciudad de Colima (Capital) el periodo ocurre
desde Julio de 1982 a Diciembre de 1984. Cabe aclarar que las variaciones entre
zonas son insignificantes, por lo que los valores bien pueden valer para todo el
Estado. Las unidades de medida son en Megajoules3 por metro cuadrado. Además, la
información del satélite se corroboró con mediciones en tierra, arrojando como
resultado un margen de error entre 3% y el 5%.
3 Un millon de Joules= 1000 KiloWatts .
49
Radiacion Solar en Colima
0
5
10
15
20
25
30
jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec
Mes del año
MJ
Figura 5.1: Gráfica de radiación solar en la ciudad de Colima (MJ/m2). FUENTE: [5-1]
Como se puede observar en la figura 7, los meses con menor captación de luz son
los meses correspondientes a la segunda mitad del año (julio-diciembre) donde el
mínimo registrado es de 16 MJ/m2. A partir de enero, la curva va en ascenso hasta
llegar a su pico en los meses de abril y mayo, donde el registro marca 24 MJ/m2.
Para una mejor observación, los anexos 3 y 4 muestran mapas con líneas
isométricas que muestran las cantidades máximas (abril) y mínimas (Septiembre) de
la radiación solar sobre el país. [5-1]
50
Capitulo 6 – Tendencias en el consumo de energía en el
estado
Colima es un Estado pequeño y tiene un escaso desarrollo industrial en comparación
con otras entidades federativas, por lo tanto cualquier clase de ayuda extra
representa un aporte significativo. El sistema de centrales termoeléctricas de
Manzanillo tienen la de 1900 MW, de los cuales, la gran mayoría se dirige hacia
otros Estados, principalmente Jalisco, Michoacán y Guanajuato. Las necesidades del
Estado de Colima se satisfacen con 220 MW de potencia. [6-1]
La siguiente tabla muestra el consumo del Estado, desglosado en meses.
Mes 2005 2006 2007 2008
Enero 1,308.95 1,398.58 1,523.58 1,630.34
Febrero 1,308.84 1,409.80 1,538.92 1,635.93
Marzo 1,306.44 1,412.86 1,553.67 1,641.37
Abril 1,311.39 1,427.33 1,562.63 1,650.44
Mayo 1,318.43 1,439.44 1,563.25 1,657.56
Junio 1,322.80 1,455.82 1,563.46 1,661.43
Julio 1,336.73 1,470.06 1,565.12 1,657.23
Agosto 1,351.65 1,473.04 1,571.51 1,660.61
Septiembre 1,364.29 1,476.44 1,582.30 1,656.81
Octubre 1,373.64 1,491.13 1,582.62 1,660.01
Noviembre 1,381.03 1,502.81 1,585.81 1,659.42
Diciembre 1,388.57 1,516.35 1,581.93 1,662.60
Total 16,072.76 17,473.66 18,774.80 19,833.75
Tabla 6.1: Consumo de electricidad en el Estado de Colima en GigaWattsHora (GWh) de 2005 a 2008.
51
Aunque lo que se quería demostrar es una tendencia de aumento en el consumo en
alguna época particular (por ejemplo, en verano), lo que se demuestra con esta
tabla es la tendencia al crecimiento constante. Esto se debe, al crecimiento de la
cartera de clientes cada mes.
En la gráfica 6.1 se muestra la tendencia del consumo de energía en el estado de
Colima en donde se observa el crecimiento de manera continua.
Consumo en tendencia
1,200.00
1,300.00
1,400.00
1,500.00
1,600.00
1,700.00
Ja
nF
eb
Ma
rA
pr
Ma
yJu
nJu
lA
ug
Se
pO
ct
No
vD
ec
Ja
nF
eb
Ma
rA
pr
Ma
yJu
nJu
lA
ug
Se
pO
ct
No
vD
ec
Ja
nF
eb
Ma
rA
pr
Ma
yJu
nJu
lA
ug
Se
pO
ct
No
vD
ec
Ja
nF
eb
Ma
rA
pr
Ma
yJu
nJu
lA
ug
Se
pO
ct
No
vD
ec
2005 2006 2007 2008
Mes del año
GW
h
Figura 6.1: Consumo de energía en el Estado de Colima. Fuente [6-1]
Esta tendencia de crecimiento es similar con la tendencia a nivel nacional, lo que
refuerza el hecho de la necesidad de expandir el número de plantas generadoras de
energía, ya que la demanda aumenta, y las reservas de hidrocarburos disminuyen.
A continuación se muestra una tabla donde, en base a lo consumido en el Estado se
puede calcular las emisiones a la atmósfera de CO2. El factor de los gramos por KWh
producido es en base a la estadística para México por la Agencia Internacional de
Energía. El número se obtiene de las emisiones del petróleo consumido por plantas
52
de calor y electricidad, dividido entre la salida de electricidad y calor generados
por petróleo. [6-2]
2005 2006 2007
Emisiones de
CO2 (g/ KWh)
855 878 844
Consumo
(GWh)
16,072.76 17,473.66 18,774.80
Toneladas de
CO2 emitidas
13‟742,209.8 15‟341,873.48 15‟845,931.2
Tabla 6.2: Emisiones de CO2 por generación de electricidad en el Estado de Colima
53
Capitulo 7 - Resultados
A continuación se muestra una tabla comparativa en modo de resumen ejecutivo,
de los costos de operación, mantenimiento e inversión para los diferentes tipos de
planta. Los precios se calculan en pesos basándose en la tasa de cambio de euro de
20 pesos. Y aunque discutir precios cae mucho en el terreno de la especulación, es
importante tener una base a través de proyectos anteriores. Con respecto a los
costos de inversión y operación de la planta termoeléctrica de Manzanillo, no se
pudo conseguir la información por cuestiones de las autoridades de la Comisión
Federal de Electricidad.
Tipo de planta Torre Granja Disco Chimenea Estanque Termoeléctrica
Inversión
(millones de pesos)
2000 5200 1000 4460 26 --
Operaciones
(millones de pesos al
año)
30 102 15 20 2 --
Superficie (has) 17.5 51 25* 1104 25 --
Capacidad (MW) 30 50 10 50 5** 1900
Producción Anual
(GWh)
184 16,644
Costo por kwh (pesos) 2.6 2.4 3.6 1.8 2.8 0.70***
Tabla 7.1: Comparación de costos de generación entre tecnologías.
*Discos individuales de 25m2 cada uno. No necesitan estar unidos
**Máximo alcanzable, el promedio es de 650 KW.
***Precio calculado del tabulador de la CFE para el año 2004 en la generación
carboeléctrica y dual. El precio al año 2008 es de 1.10 pesos por KWh generado. [7-
1]
54
Estos precios son aproximaciones y cálculos basados en la información al año 2004.
En sí depende mucho de las decisiones políticas así como diversos factores (como la
popularización de la tecnología) que la pueden influenciar. Personas como
Valeriano Ruiz (Presidente de protermosolar) creen que el cruce de precios (el
momento en que cueste lo mismo producir un KWh con hidrocarburos y con energía
termosolar) se dará entre el 2015 y el 2020. Esto debido a las medidas tomadas por
el gobierno español, como la prima de 0.12 Euros por KWh producido; ya que invita
a los inversionistas a voltear a estas tecnologías. [7-2]
En el año 2000, se realizó un estudio sobre los costos de morbilidad y mortalidad en
relación a la población que habita en los alrededores de las plantas termoeléctricas
más importantes del país (entre ellas la de Manzanillo) y se llegó a la conclusión de
que solamente por el hecho de emitir óxidos nitrosos (NOx) y óxidos de asufre (SOx)
representa para la población un costo de morbilidad y mortandad superior a los 50
millones de dólares anuales, cuyo costo no se encuentra reflejado en las
operaciones de la planta;[7-3] y aunque los mismos autores aconsejan cautela con
los resultados, son cifras que simplemente no se pueden ignorar.
Para la determinación financiera del proyecto y el cálculo de años para el retorno
de inversión, es vital conocer el precio fijado por KWh. A continuación se muestra
una simulación del estado financiero con datos muy pesimistas: una tasa de interés
en 4.5 % anual, una producción anual de energía de 3680 horas (tomando en cuenta
solamente las horas a máxima capacidad de la planta), lo que en una planta de 50
MW se traduce en 184 GWh/año. Con un costo de construcción de 5,200 millones de
pesos y uno de operaciones de 102 millones al año, se le aplica la tasa de interés
por año tanto al capital inicial, como al costo de operaciones y al precio por KWh.
Con estos datos, un costo inicial de 1.10 pesos por KWh no logra superar los
intereses y el costo de mantenimiento. Observamos como el capital simplemente se
incrementa, aún con el aumento consecutivo en el precio de la energía. (Tabla 7.2)
55
Año Capital Operación y
mantenimiento
Precio x
kWh
Ventas
0 5,200,000,000.00 102,000,000 1.10 202,400,000.00
1 5,333,600,000.00 106,590,000 1.15 211,508,000.00
2 5,468,694,000.00 111,386,550 1.20 221,025,860.00
3 5,605,145,920.00 116,398,945 1.26 230,972,023.70
4 5,742,804,407.45 121,636,897 1.31 241,365,764.77
5 5,881,501,738.28 127,110,558 1.37 252,227,224.18
6 6,021,052,649.96 132,830,533 1.43 263,577,449.27
7 6,161,253,102.68 138,807,907 1.50 275,438,434.49
8 6,301,878,964.52 145,054,263 1.56 287,833,164.04
9 6,442,684,616.39 151,581,704 1.63 300,785,656.42
10 6,583,401,472.04 158,402,881 1.71 314,321,010.96
11 6,723,736,408.33 165,531,011 1.79 328,465,456.45
12 6,863,370,100.92 172,979,906 1.87 343,246,401.99
13 7,001,955,259.61 180,764,002 1.95 358,692,490.08
14 7,139,114,758.13 188,898,382 2.04 374,833,652.14
15 7,274,439,652.12 197,398,809 2.13 391,701,166.48
16 7,407,487,079.18 206,281,756 2.22 409,327,718.97
17 7,537,778,034.37 215,564,435 2.32 427,747,466.33
18 7,664,795,014.21 225,264,834 2.43 446,996,102.31
19 7,787,979,521.70 235,401,752 2.54 467,110,926.92
20 7,906,729,424.97 245,994,831 2.65 488,130,918.63
21 8,020,396,161.00 257,064,598 2.77 510,096,809.97
22 8,128,281,776.19 268,632,505 2.90 533,051,166.41
23 8,229,635,794.51 280,720,968 3.03 557,038,468.90
24 8,323,651,903.89 293,353,411 3.16 582,105,200.00
25 8,409,464,450.64 306,554,315 3.31 608,299,934.00
26 8,486,144,731.48 320,349,259 3.45 635,673,431.03
27 8,552,697,072.08 334,764,975 3.61 664,278,735.43
28 8,608,054,680.26 349,829,399 3.77 694,171,278.52
29 8,651,075,261.61 365,571,722 3.94 725,408,986.06
30 8,680,536,384.54 382,022,450 4.12 758,052,390.43
Tabla 7.2: Cálculo financiero con precio inicial de 1.1 pesos por kwh.
56
Sin embargo, si se decide por iniciar con un precio de 2 pesos, la tabla indica una
recuperación del capital mucho más rápido, llegando a una recuperación de la
inversión en 20 años, incluyendo el 4.5% anual de intereses.
Año Capital Operación y
mantenimiento
Precio x
kWh
Ventas
0 5,200,000,000.00 102,000,000 2.00 368,000,000.00
1 5,168,000,000.00 106,590,000 2.09 384,560,000.00
2 5,122,590,000.00 111,386,550 2.18 401,865,200.00
3 5,062,627,900.00 116,398,945 2.28 419,949,134.00
4 4,986,895,966.25 121,636,897 2.39 438,846,845.03
5 4,894,096,336.97 127,110,558 2.49 458,594,953.06
6 4,782,846,276.71 132,830,533 2.60 479,231,725.94
7 4,651,673,165.96 138,807,907 2.72 500,797,153.61
8 4,499,009,211.52 145,054,263 2.84 523,333,025.52
9 4,323,185,863.02 151,581,704 2.97 546,883,011.67
10 4,122,427,919.51 158,402,881 3.11 571,492,747.20
11 3,894,847,309.71 165,531,011 3.25 597,209,920.82
12 3,638,436,528.48 172,979,906 3.39 624,084,367.26
13 3,351,061,711.15 180,764,002 3.54 652,168,163.79
14 3,030,455,326.28 188,898,382 3.70 681,515,731.16
15 2,674,208,466.82 197,398,809 3.87 712,183,939.06
16 2,279,762,717.96 206,281,756 4.04 744,232,216.32
17 1,844,401,579.56 215,564,435 4.23 777,722,666.05
18 1,365,241,419.21 225,264,834 4.42 812,720,186.02
19 839,221,931.22 235,401,752 4.62 849,292,594.39
20 263,096,075.44 245,994,831 4.82 887,510,761.14
21 -366,580,531.78 257,064,598 5.04 927,448,745.39
22 -1,053,460,803.19 268,632,505 5.27 969,183,938.93
23 -1,801,417,973.45 280,720,968 5.50 1,012,797,216.19
24 -2,614,558,030.92 293,353,411 5.75 1,058,373,090.91
25 -3,497,232,822.15 306,554,315 6.01 1,105,999,880.01
26 -4,454,053,864.59 320,349,259 6.28 1,155,769,874.61
27 -5,489,906,904.38 334,764,975 6.56 1,207,779,518.96
28 -6,609,967,258.67 349,829,399 6.86 1,262,129,597.32
29 -7,819,715,983.37 365,571,722 7.17 1,318,925,429.20
Tabla 7.3: Cálculo con el costo inicial en 2 pesos.
57
Capitulo 8 – Discusiones
Colima es un Estado rico en recurso solar. Todos los ejemplos mostrados aquí tienen
un funcionamiento óptimo con una radiación promedio anual de 2,300 W/m2;
mientras que los registros proporcionados muestran un mínimo de 16 Mega Joules
(4.44 kWh)/m2/día.
La Secretaría de Energía, a través de su programa sectorial de energía 2007-2012,
asume entre otros puntos la necesidad de incrementar la explotación de energías
renovables y la reducción de emisiones de carbono de 14 millones de toneladas de
CO2 en 2006 a 28 en 2012. [8-1]. Entre México y Brasil se llega al 60% de las
emisiones a la atmósfera en América Latina, y una buena manera de disminuirlo
sería con un proyecto como el que presenta este estudio. [8-2]
Es cierto que la economía nos mantiene atados al uso de hidrocarburos para nuestra
satisfacción de energía, pero no se consideran otras variables que están en juego,
como la ambiental y lo social. Si se le pusiera un valor económico a las afectaciones
sociales y ambientales que ocurren al permanecer con este modelo, no habría
dinero suficiente para su compensación. Desde el punto de vista ambiental, la zona
ha sido afectada por la constante emisión de gases a la atmósfera, así como la
modificación de la geografía para la construcción de la planta. La utilización del
agua de mar para el funcionamiento de las turbinas afecta a las especies que
habitan en la bahía. La nueva terminal regasificadora que se construirá con el
objetivo de reducir la emisión de gases, pondrá en riesgo a 1,500 hectáreas de
manglar, este hecho no solamente afecta al ciclo de vida natural en nuestro
planeta, ya que el manglar es lugar de reproducción de varias especies en peligro
de extinción, sino que además es una barrera natural en caso de maremoto.
Como se ha comentado antes, la economía mexicana basada en los hidrocarburos
está condenada a desaparecer. Es una incongruencia pensar que el futuro sería el
58
gas natural importado (como en el caso de la terminal de Manzanillo), puesto que
nos mantendrá siendo dependientes del abasto de este recurso, por parte de otros
países. Por otra parte, los costos del mismo han sido variables en la última década y
de pensarse que se conservarían siendo muy bajos, en el presente se han visto
incrementados sustantivamente.
Socialmente la idea de las energías renovables es aceptada, más no comprendida en
su totalidad. Al asociarse con el concepto de “energías limpias” la gente lo ve como
algo bueno, pero no intenta llegar a el porqué son esenciales como opción
energética en el futuro, ni cómo éstas pueden amortiguar el daño que se está
emitiendo con las fuentes convencionales en contra de la permanencia de nuestra
especie en el planeta.
Asimismo, desde el punto de vista económico y por el tamaño del proyecto, es poco
probable que tenga una disminución significativa, al menos en el corto plazo, en el
costo de la generación de electricidad, y por ende en los bolsillos de las personas.
Sin embargo, es necesario crear un antecedente y comenzar una cadena de
innovación tecnológica, así como de crear una mayor conciencia en la ciudadanía en
busca de una limpieza en la manera de generar electricidad.
Para este estudio, se seleccionó un análisis de la tecnología solar térmica como
alternativa para la generación de electricidad por las siguientes razones:
La tecnología y la ingeniería necesarias son simples.
Los materiales son fáciles de conseguir
Se ha probado su eficiencia en lugares como España y Alemania, con menor
insolación promedio anual que Colima.
Existen alrededor del mundo aproximadamente 500 MW de potencia de
generación de electricidad basada en este tipo de tecnología. Y se espera
que para el 2012 se agreguen 6000 MW. [8-3]
59
Con base en este estudio, la recomendación se ofrece a la tecnología de canal
parabólico (granja) debido a que es la más sencilla de construir y se tienen muy
buenos antecedentes de ésta, como las plantas SEGS.
Se descartan las otras tecnologías por diferentes razones, aunque tienen similitudes
en cuestión de emisiones e impactos al ambiente, el descarte se llevó a cabo por
las siguientes razones:
El estanque solar fue descartado por el impacto que puede provocar en la
flora y fauna alrededor, al tener una concentración de agua salada a altas
temperaturas expuesta al aire libre.
A pesar de que en teoría la torre ascendente tiene el mejor precio por
kilowatt generado, sigue siendo sólo en papel, y no hay antecedentes de una
planta funcionando de manera comercial.
Los discos Stirling sirven solamente para sistemas de pequeño consumo.
Están diseñados para el soporte de pequeñas comunidades, no ciudades como
la nuestra.
Otra excelente opción podría ser el sistema de torre solar céntrica, su razón
costo/beneficio es aceptable y existen antecedentes de uso, pero para
explotar su máximo potencial es necesario una insolación y un clima casi
desértico, y la zona no cuenta con tal.
Si se compara con las plantas termoeléctricas, se puede notar al principio un costo
elevado, por su construcción, pero a la larga se compensa con respecto al ahorro de
combustible, y con el precio incalculable de evitar que más contaminantes se
agreguen al sistema atmosférico y comenzar un cambio revolucionario.
Después de estudiar todos los temas aquí presentados, la conclusión de este autor
es que no solamente es viable la generación de electricidad mediante el recurso
solar aquí en el estado, sino que es vital para el futuro de éste y de todo el país;
más aún, este tipo de proyectos puede ser manejado con respecto al programa de
“Bonos Verdes”.
60
No existe precio suficientemente alto para evitar un cambio en la manera de cómo
se genera y aprovecha la energía que utilizamos para nuestra vida cotidiana. Si
queremos evitar un futuro incierto pensando a 25 años, debemos comenzar ya a
cambiar el paradigma típico de relegarle la carga energética y económica al recurso
de los hidrocarburos.
Aunque este trabajo se enfocó en la producción por el recurso solar térmico,
existen otras maneras de obtención de energía que se pueden utilizar, tanto en
Colima como en todo el país. Se pueden dar ejemplos como el uso de la geotermia
en la zona del volcán de fuego, la energía Undimotríz en las zonas de oleaje alto en
el mar, aerogeneradores en la zona de montaña y por supuesto, paneles
fotovoltaicos como sistemas unifamiliares en la zona urbana, ya que ayudarían
mucho a la disminución de la carga de energía necesaria para la red y si existiera un
sobre abastecimiento a las mismas, se puede plantear el integrar a la red el
excedente y podrían tener una retribución económica, como ya se presenta en otros
países. Mi visión del futuro es que una combinación de tecnologías, junto con una
cultura de uso eficiente de la energía puede satisfacer nuestras necesidades como
seres humanos; más aún si se plantea hacer uso de estos recursos articulándose con
un uso eficiente de la electricidad. Considero que eventualmente se dará, sólo
espero que sea más temprano que tarde.
61
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Capítulo 1 – Marco teórico
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2. Navarro Aguilar, G. I. (2004). Análisis y Recomendaciones sobre el Marco
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Derecho Fiscal. Universidad de las Américas Puebla. Recuperada el 7 de julio
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Capítulo 2 – Tecnología Solar térmica
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Capítulo 4 – Análisis económicos y ambientales
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Capítulo 6 – El consumo de electricidad en el Estado
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Capítulo 8 – Discusiones
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Diario Avanzada, p. 12. Recuperada el 10 de junio de 2010 de
http://www.davanzada.com/imgs/100423133817web%20viern.pdf
3. Ummel, K. & Wheeler, D. (2008) Desert Power: The Economics of Solar
Thermal Electricity for Europe, North Africa, and the Middle East. Center
for Global Development. Working Paper Number 156. (Diciembre) . p 4.
66
Anexos
Anexo 1 - El consumo de electricidad por estados
COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD, ESTADÍSTICA COMERCIAL POR ENTIDAD FEDERATIVA, MARZO 2009
Estados Usuarios Ventas MWh El total de las ventas puede no coincidir debido al redondeo de
las cifras, ya que éstas tienen tres cifras significativas después
del punto decimal; no obstante para su presentación solo se
presentan los enteros.
Última modificación:Martes, 31 de marzo de 2009 a
las 14:00, por la Unidad de Control de Gestión.
(Actualización Trimestral) Fuente: CFE
Aguascalientes 370,667 502,469
Baja California 1,052,227 1,857,797
Baja California Sur 221,019 386,105
Campeche 234,903 221,830
Coahuila 829,128 1,869,286
Colima 240,495 366,173
Chiapas 1,199,708 598,461
hihuahua 1,119,976 1,798,345
Durango 472,709 595,966
Guanajuato 1,588,231 2,205,206
Guerrero 888,450 647,816
Hidalgo 235,878 125,440
Jalisco 2,306,878 2,663,231
México 433,907 609,956
Michoacán 1,446,805 1,419,039
Morelos 456,544 426,669
Nayarit 369,270 273,148
Nuevo León 1,454,704 3,188,305
Oaxaca 1,112,023 581,525
Puebla 1,593,333 1,613,399
Querétaro 522,514 840,689
Quintana Roo 425,788 788,429
San Luis Potosí 768,611 1,090,341
Sinaloa 889,347 956,332
Sonora 909,627 1,707,253
Tabasco 607,741 591,816
Tamaulipas 1,149,263 1,563,109
Tlaxcala 314,878 404,780
Veracruz 2,226,975 2,176,367
Yucatán 617,691 660,476
Zacatecas 500,165 390,443
Total 26,559,455 33,120,200
67
Anexo 2- Tabla de consumo para el estado de Colima, del año 2000 al 2008 (Fuente: CFE, página web)
Agrupación Sectorial de Tarifas
Usuarios
Sector 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Doméstico 142,857 150,526 157,752 164,031 173,859 182,228 190,340 198,306 206,786
Comercial 19,244 20,723 21,840 22,176 23,177 24,030 24,993 25,880 26,811
Servicios 1,057 1,163 1,232 1,262 1,325 1,285 1,362 1,440 1,563
Agrícola 872 915 944 992 1,022 1,041 1,097 1,123 1,143
Mediana ind. 916 1,013 1,101 1,195 1,322 1,491 1,664 1,790 1,938
Gran Industria 4 4 4 4 5 5 5 6 6
Total 164,950 174,344 182,873 189,660 200,710 210,080 219,461 228,545 238,247
Ventas (MWh)
Sector 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Doméstico 237,043 253,150 276,367 266,781 277,107 289,846 310,417 319,559 326,757
Comercial 82,931 86,723 97,308 94,268 95,922 96,809 101,040 104,190 103,244
Servicios 38,750 39,885 43,223 41,199 42,856 46,091 47,968 49,007 50,797
Agrícola 46,094 50,986 45,211 46,060 48,696 56,839 55,524 59,316 61,285
Mediana ind. 294,730 287,096 333,064 341,295 366,432 357,941 383,039 409,897 424,873
Gran Industria 520,518 411,759 494,318 373,822 384,314 492,333 528,200 540,212 549,459
Total 1,220,066 1,129,599 1,289,491 1,163,425 1,215,327 1,339,859 1,426,188 1,482,181 1,516,415
68
Precio Medio ($/kWh)
Sector 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Doméstico 0.5260 0.5785 0.7749 0.8556 0.8470 0.8747 0.9407 0.9718 1.0157
Comercial 1.2845 1.3296 1.4189 1.6505 1.9281 2.1253 2.3905 2.4562 2.6090
Servicios 1.0480 1.1242 1.2097 1.2899 1.3556 1.4310 1.5120 1.6076 1.7213
Agrícola 0.2752 0.2991 0.3380 0.3505 0.3965 0.4125 0.3725 0.3944 0.4246
Mediana ind. 0.6114 0.6386 0.7377 0.8646 1.0001 1.1224 1.2648 1.3232 1.6125
Gran Industria 0.4122 0.4172 0.4448 0.5681 0.6789 0.7498 0.8468 0.8808 1.1677
Total 0.5567 0.5993 0.6866 0.8257 0.9252 0.9849 1.0928 1.1381 1.3462
Consumo Medio (kWh/Usuario)
Sector 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Doméstico 141 143 149 139 136 135 138 137 134
Comercial 371 362 381 360 352 342 343 340 326
Servicios 3,145 3,003 2,998 2,756 2,760 2,842 2,986 2,900 2,815
Agrícola 4,498 4,721 4,041 3,998 4,021 4,602 4,337 4,472 4,513
Mediana ind. 27,844 24,803 26,092 24,671 24,307 21,258 20,171 19,710 18,955
Gran Industria 10,844,125 8,578,313 10,298,292 7,787,958 7,843,143 8,071,033 8,803,333 7,717,314 7,631,375
Total 631 553 601 523 518 542 552 550 540
Anexo 3 – Radiación solar sobre la república mexicana. Mes de septiembre de 1984 (Galindo, 1991)
69
Anexo 4 – Radiación solar sobre la república mexicana. Mes de abril de 1984 (Galindo, 1991)
70