REVISTA MEXICANA DE FISICA S59 (2) 75–84 OCTOBER 2013

Transicion energetica, energıas renovables y energıa solar de potencia

C. A. Estrada GascaInstituto de Energıas Renovables, Universidad Nacional Autonoma de Mexico,

Privada Xochicalco S/N, 62580, Temixco, Morelos, Mexico.

Received 14 May 2013; accepted 23 May 2013

En este trabajo se reflexiona sobre la problematica energetica mundial; la finitud de las fuentes fosiles y su impacto al medio ambiente. Laestructura energetica mundial es no sustentable y se requiere de un cambio de paradigma energetico basado en la eficiencia energetica y el usode fuentes alternas como las energıas renovables (ER). La demanda energetica mundial esta en continuo aumento a un ritmo de crecimientoanual del 2.47 %. En un escenario al 2030 para la transformacion del sistema mundial de energıa, elaborado a partir del cumplimiento denuevas polıticas energeticas que consideran una economıa baja en carbon para la proteccion del medio ambiente, todas las fuentes primariascontribuyen a satisfacer la demanda energetica. De hecho, las fuentes primarias de energıa que mas crecen son el gas y las ER. En particular,la taza a la que las ER estan creciendo y penetrando los mercados mundiales de la energıa tiene una marcada similitud con la aparicion de laenergıa nuclear en los anos 1970’s y 1980’s. Mexico cuenta con abundantes recursos renovables y se han hecho esfuerzos importantes paraavanzar en el uso de las tecnologıas que aprovechan las fuentes de ER. El potencial solar del paıs es realmente muy grande y el uso de lastecnologıas solares que aprovechan dicho recurso es muy limitado. Se requiere, para garantizar el desarrollo sustentable en el paıs, que elestado mexicano se comprometa, con una vision a largo plazo, en el aprovechamiento de las ER y en el uso eficiente de la energıa. Se deberangenerar las polıticas, los marcos legales, los incentivos economicos y los fondos de financiamiento para apoyar a la investigacion cientıfica ytecnologica y permitir el desarrollo masivo de las ER y del uso eficiente de la energıa en el paıs.

Descriptores:Transicion energetica; energıas renovables; energıa solar; concentracion solar.

This paper comments on the global energy problem, the finiteness of fossil fuels and their impact on the environment. The global energystructure is unsustainable and requires a paradigm shift based on energy efficiency and the use of alternative and renewable energy (RE). Theglobal energy demand is continuously increasing at an annual growth rate of 2.47 %. In a scenario at 2030 from the IEA to transform the globalenergy system (made from compliance with new energy policies that consider low carbon economy for the protection of the environment)all primary sources contribute has meet energy demand. Actually, the primary sources of energy that have the fastest growing are Gas andRE. In particular, the rate at which the RE are growing and penetrating the global energy markets has a strong similarity with the appearanceof nuclear energy in the years 1970’s and 1980’s. Mexico has abundant renewable resources and has made relevant effort to advance theuse of technologies that take advantage of RE sources. The country’s solar potential is really great and the use of solar technologies thattake advantage of this resource is very limited. To ensure sustainable development in the country, it is required the Mexican governmentundertake, with a long-term vision, in the use and development of the RE and in the energy efficiency in Mexico. It should generate policies,legal frameworks, economic incentives and financing funds to support scientific and technological research and allow massive developmentof RE and the efficient use of energy in the country.

Keywords:Energy transition; renewable energy; solar energy; solar concentration systems.

PACS: 88.05.-b; 88.05.Ec; 88.40.-j; 88.40.fj; 88.40.fp; 88.40.fr

1. La problematica energetica del mundo

El crecimiento de la poblacion mundial en laultima centuriaha sido insolito: se estima que en el ano 1930 era de 2,000millones de personas, para el ano 1960 de 3,000 millones yen solo 39 ano, esto es en 1999 se duplico a 6,000 millones.Actualmente es de mas de 7,000 millones y se estima quepara el ano 2030 seremos 8,000 millones de seres humanosen el planeta. Este crecimiento poblacional esta estrechamen-te relacionado con el crecimiento en la demanda de energıamundial.

En la actualidad, las fuentes primarias de energıa que do-minan en el mundo son los hidrocarburos y correspondenal 81.2 % de toda la energıa primaria producida y consumi-da. En Mexico, la dependencia es mayor; en el ano 2011,el 91.2 % de la produccion de energıa primaria correspon-dio a combustibles fosiles, (64.1 % petroleo, 24 % gas y 3.1 %carbon) [1].

Los paıses emergentes (China, India, Brasil, Mexico. . .) ylos paıses menos desarrollados necesitan para su desenvolvi-miento tener acceso pleno a las fuentes de energıa modernas,entendidas estas como electricidad y carburantes. De ahı quela demanda energetica mundial esta en continuo aumento aun ritmo de crecimiento anual del 2.47 %. A medida que cre-ce la poblacion y las economıas, millones de personas en todoel mundo disfrutan de los beneficios de un estilo de vida querequiere cantidades de energıa cada vez mayores. Segun laAdministracion de Informacion sobre Energıa de los EUA(EIA), en su escenario de referencia, la demanda mundialde petroleo evolucionara de 87 millones de barriles al dıa en2011 a 119 millones de barriles diarios en 2040, es decir seincrementara un 36 % mas en ese periodo. Lo cual es un retomuy grande en terminos de inversiones, en particular, en uncontexto de declinacion de las reservas de lo que se ha llama-do el ”petroleo facil”, esto es, facil de extraer y trasportar, ypor ende barato.

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Este contexto de declinacion de las reservas del “petroleofacil” es ya evidente. Muchos de los campos de petroleo ygas del mundo estan llegando a su madurez. La produccionde crudo toco techo en los Estados Unidos en 1970, en Alas-ka en 1988, en el Mar del Norte en 1999 y en Cantarell en2005, no obstante que los grandes descubrimientos mas re-cientes fueron precisamente en esos lugares (en Alaska y enel Mar del Norte en 1967 y en Cantarell en 1971). Los descu-brimientos de nuevos yacimientos de fuentes energeticas sedan principalmente en lugares donde los recursos son difıci-les de extraer, ya sea por motivos fısicos, economicos o in-cluso polıticos.

¿Cuando tocara techo la produccion mundial de este hi-drocarburo? Algunos sugieren que ya se alcanzo, otros massugieren que se alcanzara en los proximos anos.

A partir de ese momento la produccion disminuira. Cua-lesquiera que sea la fecha, para los expertos petroleros delmundo es claro que este recurso esta declinando rapidamen-te en relacion a la escala temporal humana. Lo mas probablees que mucho antes que se alcance este lımite, que eventual-mente puede ser extendido por los avances tecnologicos, eljuego de la oferta y la demanda petrolera y su impacto en laevolucion de los precios del petroleo constituiran los factoresdeterminantes del fin de la era del petroleo.

Adicionalmente, es comun decir que la produccion de ga-ses de efecto invernadero, principalmente el bioxido de car-bono debido al uso intensivo de los hidrocarburos, son losprecursores del incremento de la temperatura media global yconsecuentemente del llamado cambio climatico, con todaslas consecuencias para los seres humanos que ello implica.

Ası llegamos a establecer que el problema energeticodel mundo actual consiste en que las fuentes principales deenergıa que usamos los humanos (los hidrocarburos) hanmostrado su finitud y que su uso intensivo tiene un impactoal medio ambiente de dimensiones globales y catastroficas.Esto es, el sistema energetico mundial no es sustentable.

Ante esta situacion energetica mundial y nacional, Mexi-co necesita un cambio de paradigma energetico. Es urgenteuna utilizacion mas racional de la energıa y la sustitucion delos combustibles fosiles por otros tipos de energıa primaria.Es inevitable preguntarse si existen fuentes energeticas sufi-ciente que puedan sustituir a las fuentes fosiles y que permi-tan la conservacion del medio ambiente para un desarrollosustentable. Este proceso de transicion se debe lograr sin ten-siones geopolıticas dramaticas por el control de los yacimien-tos de los hidrocarburos y sin la degradacion irreversible delmedio ambiente natural, particularmente debida a las emisio-nes de gas de efecto invernadero.

Volvemos a preguntarnos ¿existen las fuentes energeticasque puedan satisfacer esta necesidad? La respuesta es afirma-tiva; existen las fuentes renovables de energıa; la energıa solarque en sus diversas manifestaciones directas (radiacion solardirecta, difusa. . .) o indirectas (biomasa, eolica, hidraulica,mareomotriz. . .) es la fuente de energıa mas abundante en laTierra, ademas de la geotermia. La Figura 1 muestra el re-curso energetico disponible en el mundo, ası como el con-

sumo global anual de energıa por los humanos. El consumoenergetico anual, esto es, la demanda global (DG) de energıaprimaria es aproximadamente de 425 EJ/ano (EJ=exajulio=1018 Julios).

La energıa solar total anual que alcanza la superficie dela Tierra y su atmosfera es 2,895,000 EJ/ano ( 7,000 veces lademanda global en 2004, DG), que representa unas 9 veces elrecurso total de todas las demas energıas no-renovables, es-timado en 325,300 EJ (770 veces la DG); Petroleo: 8,690 EJ( 20 DG), Gas: 17,280 EJ ( 40 DG), Uranio 114,000 EJ ( 270DG), Carbon: 185,330 EJ ( 440 DG). La Figura 1 muestraestas cantidades en paralelepıpedos rectangulares donde porsus tamanos relativos se aprecian la abundancia de unos conrespecto a otros.

La energıa solar en sus manifestaciones directa e indirec-ta junto con la energıa geotermica tambien se conocen comoenergıas renovables, esto es, fuentes de energıa que por sucantidad en relacion a los consumos que los seres humanospueden hacer de ellas son consideradas inagotables y su pro-pio consumo no afecta el medio ambiente.

Seguramente en el futuro se encontraran mas yacimientosde hidrocarburos y material nuclear, sin embargo, es claro dela figura 1 que lasunicas fuentes que a largo plazo puedensatisfacer la demanda mundial de los seres humanos en for-ma sustentable, en el presente o en el futuro, son las fuentesrenovables de energıa.

Creemos que en este perıodo transitorio hacia un sistemaenergetico sustentable, el uso racional y eficiente de las ac-tuales fuentes energeticas y las energıas alternativas: energıasrenovables (ER) y energıa nuclear, son la solucion al proble-ma energetico planteado.

2. Crecimiento Mundial de las ER

Las tecnologıas que aprovechan a las fuentes renovables deenergıa, en diversos estados de desarrollo, han estado presen-tes en la historia de los seres humanos desde siempre. Sin

FIGURA 1. Recurso energetico disponible actualmente en el mun-do, ası como el consumo global anual de energıa por los huma-nos [2]

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embargo, con el advenimiento de la revolucion industrial, cu-ya pieza fundamental fue la maquina de vapor desarrolla-da por James Watt en 1774 y que requerıa para su funcio-namiento un combustible de alta densidad energetica comoel carbon, las energıas renovables empezaron a ser sustitui-das por los hidrocarburos. En lasultimas decadas y debido alas crisis petroleras, la investigacion y desarrollo de las tec-nologıas que aprovechan las fuentes renovables de energıa(FRE) se ha intensificado al punto de generar tecnologıas ac-tualmente en estado comercial. Pero mas aun, estos mercadoshan tenido en losultimos anos un crecimiento muy importan-te.

Entre los factores que han permitido el desarrollo actualde los mercados de las FRE, se pueden mencionar a los si-guientes:

El alza de los precios de los hidrocarburos que llego a139 USD por barril en Junio del 2008 y que podrıanllegar a los 150 dolares por barril o mas en los anosvenideros.

El mercado mundial de emisiones de CO2 que esta en19 USD la tonelada y en el futuro podrıa llegar hastalos 40 o 60 dolares la tonelada.

Las polıticas voluntarias de varios Estados (Union Eu-ropea, Estados Unidos, China, India, Brasil) mas ini-ciativas locales que crean incentivos especiales parausar tecnologıas de FRE.

El progreso acelerado que han tenido las tecnologıasde energıas renovables.

El progreso acelerado que han tenido las tecnologıasde energıas renovables.

Es claro que las polıticas publicas de varios paıses hanejercido una influencia fundamental en el crecimiento de losmercados actuales de las energıas renovables. Todos los indi-cadores de los mercados mundiales de las energıas renovablesmuestran que estas estan creciendo aceleradamente [3]. La fi-gura 2 muestra nuevas inversiones en energıas renovables enlos mercados mundiales, llegando al 2011 con 257,000 mi-llones de dolares. Sin embargo, y a pesar de este crecimiento,el uso de las FRE sigue siendo pequeno comparado con eluso de los hidrocarburos. En la proxima seccion se muestrala estructura actual de la energıa total y de la produccion deelectricidad en el mundo y en Mexico y las contribuciones delas ER.

3. Estructura Energetica en el mundo y enMexico. Escenarios futuros

FIGURA 2. Inversion mundial anual en ER (2004-2011) [4].

En el ano 2010, la produccion mundial de energıa prima-ria llego a los 12,789.3 millones de toneladas equivalentes depetroleo (Mtep, 1 Mtep = 41.84× 109 J) y el consumo mun-dial de energıa en ese mismo ano fue de 8,676.6 Mtep. LaFigura 3 muestra, la produccion mundial de energıa primariapara ese ano [5]. El total de consumo de energıa que corres-ponde a los hidrocarburos es del 81.2 %, indicando que sonestos el motor del mundo industrializado. A las energıas reno-vables les corresponde un 13.2 %, sin embargo las renovablestradicionales, principalmente la lena y la gran hidraulica su-madas dan el 12.1 %, dejando solo para las nuevas energıasrenovables el 0.6 %. Estasultimas incluyen geotermia, eolica,solar y oceanica.

La figura 4 muestra la estructura de la produccion deenergıa primaria en Mexico para el ano 2011, que corres-pondio a un total de 9,190.76 petajoules (PJ, 1 PJ = 1015 J).La dependencia del paıs de los hidrocarburos es de 91.2 %,mayor al promedio mundial. La contribucion de las nuevasenergıas renovables excluyendo a la gran hidraulica y a labiomasa convencional (lena) es pequena, un poco abajo del2 %, debiendose fundamentalmente a la geotermia y a la eoli-ca [5]. Tanto a nivel mundial como a nivel nacional el uso delas energıas renovables sigue siendo marginal.

Es importante saber en que se consume parte de la energıaque se produce en Mexico sumada a la que se importa y/o ex-porta. La Tabla 1 presenta el consumo final total de energıaen el paıs en los anos 2010 y 2011 y su comparativo. Del con-sumo energetico total, en 2011, aproximadamente el 19 % sefue al sector residencial, comercial y publico; el 46 % al sec-tor transporte; el 27 % al industrial y solo el 3 % al sectoragropecuario. Es claro que el sector que mas energeticos con-sume, fundamentalmente carburantes, es el del transporte. Enel 2011 hubo un incremento del consumo de energıa total de2.5 % comparado con el ano anterior, siendo el consumo justoen el sector transporte el que mas aumento.

Las tecnologıas actuales que aprovechan las FRE puedenser utilizadas masivamente en estos sectores. Sin embargo, supenetracion en la mayorıa de los paıses y en Mexico en parti-

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FIGURA 3. Consumo mundial de energıa en 2010, 12,789.3 Mrep.Las Renovables incluyen hidraulica, eolica, solar, geotermia, resi-duos y biomasa.

FIGURA 4. Estructura de la produccion de energıa primaria enMexico (2011) [5]. Total: 9,190.76 PJ, todos los porcentajes soncon respecto al total de la produccion de energıa primaria.

cular, no se habıa dado debido a varios factores, entre ellos ados: al precio/costo relativamente elevado de las tecnologıasy a la ausencia, de polıticas de estado que las promueva ylas incentive. Durante decadas, la introduccion de estas tec-nologıas en el paıs se dejo totalmente a los precios de com-petencia del libre mercado mundial. Esto esta cambiando,por ejemplo, en el 2008 se publica en Mexico, la Ley parael Aprovechamiento de Energıas Renovables y el Financia-miento de la Transicion Energetica (LAER-FTE). Se puededecir, que varias de estas tecnologıas como la termosolar pa-ra calentamiento de agua de uso domestico o la eolica, sontotalmente competitivas en terminos comerciales, y otras loseran en el futuro cercano.

En un ejercicio responsable de planificacion energeticadel paıs donde se decidiran que tecnologıas deberan impul-sarse o implementarse, se deben tomar en consideracion pun-tos como: i) la seguridad en el suministro energetico, ii) lasreservas energeticas con las que se cuenta, iii) los precios [p.ej. el precio del Mtep ($/Mtep) o el precio del kilowatt ins-talado ($/kW)] y los costos [p. ej. el costo en centavos del

kilowatt-hora producido (c$/kWh) de las tecnologıas y iv) laminimizacion del impacto ambiental del uso de los sistemasenergeticos.

La Figura 5 presenta un escenario posible para la transfor-macion del sistema mundial de energıa que satisface algunasde las condiciones de planificacion del parrafo anterior y quefue elaborado a partir del cumplimiento de las nuevas polıti-cas energeticas que consideran una economıa baja en carbonpara la proteccion del medio ambiente [5]. El grafico de la iz-quierda muestra la historia de las contribuciones porcentualesde cada fuente primaria de energıa desde 1970 hasta el 2030.Se ve que la tendencia del petroleo, a largo plazo, es de dismi-nuir su cuota en el mercado internacional, mientras que el gassigue aumentando. El reciente aumento de la contribucion delcarbon a la cuota de mercado pronto comenzara a revertirse,con una tendencia a la baja evidente en el 2020. La taza a laque las energıas renovables estan creciendo y penetrando losmercados mundiales de la energıa tiene una marcada simili-tud con la aparicion de la energıa nuclear en los anos 1970’sy 1980’s.

El grafico de la derecha de la figura 5 muestra las contri-buciones para satisfacer, por fuente primaria, el crecimientode la demanda mundial de energıa. Es notable observar queel crecimiento del consumo mundial de energıa es satisfechocada vez mas por combustibles no fosiles; las energıas re-novables, la energıa nuclear y la hidroelectrica en conjuntorepresentan el 34 % del crecimiento. Esta contribucion agre-gada no fosil es, por primera vez, mas grande que la contri-bucion de cualquier combustibles fosiles por si solo. Para losproximos 20 anos, en este escenario que se considera plausi-ble, las energıas renovables por su cuenta contribuyen mas alcrecimiento mundial de la energıa que el petroleo. La mayorcontribucion de combustible proviene del gas, que alcanza el31 % del crecimiento previsto de la energıa global.

4. Energıas Renovables

La energıa geotermica en Mexico es la mas utilizada de to-das las energıas renovables, excluyendo a la gran hidraulica.Mexico ocupa el cuarto lugar a nivel mundial en aprovecha-miento de esta fuente energetica. La capacidad instalada parageneracion de potencia electrica es de 953 megawatts electri-cos (MWe). Se tienen identificados mas de 300 sitios termalescon el potencial de instalar otros 11,940 MWe. Esto represen-ta casi el 20 % de la capacidad instalada en todo el paıs en elano 2010 que era de 60,795 MWe. Este potencial se consi-dera mucho mayor por los yacimientos geotermicos de rocaseca caliente que pueden existir en Mexico y cuya tecnologıade aprovechamiento esta en desarrollo.

La energıa eolica en Mexico ha tenido un desarrollo muyimportante en anos recientes. Aunque todavıa es limitado. Enel 2011 se tenıan instalados y operando 519 MWe y 717 MWeadicionales estan en construccion. Se espera que para el 2014se alcancen mas de 5,000 MWe [5] cuando entren en opera-cion todos los proyectos en desarrollo. El gobierno mexicanoha estimado el potencial eolico del paıs en los 71,000 MWe,

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TABLA I. Consumo final total de energıa (petajoules) 2011 [5]

Variacion Estructura

2010 2011 porcentual ( %) porcentual ( %)

2011/2010 2011

Consumo final total 4,874.13 4,994.82 2.48 100

Consumo no energetico total 264.24 259.11 -1.94 5.19

Petroquımica de Pemex 168.90 161.60 -4.32 3.24

Otras ramas 95.34 97.51 2.28 1.95

Consumo energetico total 4,609.89 4,735.71 2.73 94.81

Transporte 2,245.25 2,283.98 1.73 45.73

Industrial 1,298.08 1,363.42 5.03 27.30

Recidencial, comercial y publico 921.25 928.25 0.76 18.58

Agropecuario 145.32 160.06 10.14 3.20

Fuente: Sistema de Informacion Energetica, Sener.

FIGURA 5. (Izquierda) Contribucion porcentual a la cuota de la energıa primaria mundial. (Derecha) Aportacion de cada fuente primaria alcrecimiento de la demanda energetica [6].

el cual considero muy elevado. Como se puede ver, si lastendencias siguen igual, esta tecnologıa pronto rebasara a lageotermica.

La bioenergıa es otra fuente renovable de energıa muyabundante en el paıs. Representa el 5 % de la oferta internade energıa primaria en Mexico, esto es, 344 PJ/ano de los7,367 PJ/ano en el ano 2008. Se estima que se tiene un po-tencial sustentable de 3,000 PJ/ano que equivaldrıa al 62 %de la energıa final demanda debida a los sectores de consumofinal energetico en el ano 2008 que fue de 4,814 PJ [5].

La capacidad hidroelectrica instalada en Mexico es de

10,707 MWe, pero existe todavıa un potencial muy impor-tante 38,700 MWe de gran hidro que podrıa ser aprovecha-do. Al mismo tiempo, se estima que se podrıan aprovecharsehasta 3,250 MWe con plantas mini y micro hidraulicas en elpaıs [6].

En Mexico no existen centrales electricas que utilicen laenergıa de los oceanos y tampoco existen proyectos de de-sarrollo de ningun tipo de estas centrales. De hecho, el usode la energıa del mar no esta muy extendido, en la actuali-dad, solo algunos paıses del mundo como Francia cuentancon este tipo de tecnologıa. Aunque el potencial del uso de

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la energıa oceanica para produccion de energıa electrica noesta todavıa evaluado, se estima que podrıa ser superior a lasanteriores.

5. Energıa Solar

Los recursos energeticos renovables, como ya se comento enla seccion 1 son afortunadamente muy abundantes en el pla-neta. Solo como un ejemplo de la abundancia de las fuen-tes de ER, baste decir que la energıa solar recibida cada 10dıas sobre la Tierra equivale a todas las reservas conocidasde petroleo, carbon y gas. La figura 6, muestra la distribucionde energıa solar incidente en la Tierra dada en terminos dela insolacion diaria promedio anual medida en kilowatt-horapor m2 (kWh/m2) por ano. Los paralelos 40◦N y 35◦S de-finen la llamada ”Franja Solar o Cinturon Solar”que tiene lapeculiaridad de albergar al 70 % de la poblacion mundial yrecibir la mayor cantidad de energıa solar del planeta. Comose observa en la figura, Mexico queda dentro de esta franja ysu potencial de aprovechamiento de energıa solar es uno delos mas altos del mundo. Alrededor de tres cuartas partes delterritorio nacional son zonas con una insolacion media del or-den de los 5 kWh/m2 al dıa, el doble del promedio en EUA.Particularmente la zona del noroeste del paıs (los estados deChihuahua, Sonora y Baja California) posee el recurso solarmas abundante con insolaciones que rebasan los 6 kWh/m2

al dıa.¿Como se aprovecha la energıa solar? Empecemos di-

ciendo que la energıa solar es energıa electromagnetica emi-tida por nuestra estrella mas cercana: el Sol, que al interac-cionar con la materia dicha energıa es transformada en otrasformas de energıa. Existen varios mecanismos naturales quetransforman a la energıa solar en otras formas de energıa utilpara el ser humano. Entre esos mecanismos se encuentran losfısicos, los quımicos y los biologicos. A continuacion se pre-sentaran las principales tecnologıas que aprovechan estos me-canismos para satisfacer necesidades energeticas humanas.

6. Tecnologıas Fotovoltaicas

De las tecnologıas solares, la fotovoltaica es en la actualidadla que tiene el mas rapido crecimiento a nivel mundial. Estatecnologıa esta basada en las celdas solares. Como se sabe, laforma mas comun de las celdas solares se basa en el efectofotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivosemiconductor de dos capas produce una diferencia del foto-voltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capazde conducir una corriente a traves de un circuito externo demodo de producir trabajoutil.

Como se menciono anteriormente, la industria de los pa-neles fotovoltaicos esta creciendo muy rapidamente; los sis-temas fotovoltaicos integrados a la red electrica son los quemayor crecimiento han tenido. En losultimos anos, en parti-cular, los europeos son los que han instalado mas sistemas

FIGURA 6. Distribucion de la energıas solar en el mundo,kWh/m2/ano [10].

fotovoltaicos en su region. Esto es debido fundamentalmentea las polıticas energeticas de la Union Europea. Por otro lado,la fabricacion mundial de paneles fotovoltaicos en el 2005 fuedominada por los japoneses con el 46 % y fue seguido por loseuropeos con un 28 %.

La capacidad instalada en Mexico de sistemas fotovol-taicos es de solo 8 millones de watts-pico (MWp) (2011).Esta cantidad es muy pequena comparado con lo que ocurreen otros paıses como Espana que tiene 4,338 MWp (2011)o Alemania que es de 17,370 MW. La capacidad instaladafotovoltaica en el 2010 alcanzo los 40,000 MWp. Los merca-dos futuros de las celdas solares dependeran estrechamentedel desarrollo de la tecnologıa, en donde los esfuerzos de in-vestigacion se centran en una combinacion de aumentar laeficiencia y bajar los costo de produccion.

7. Tecnologıas de Calentadores Solares Agua

Otra tecnologıa solar que esta muy desarrollada y cuenta conuna industria ampliamente establecida a nivel mundial y quetambien se encuentra en rapido crecimiento es la de los capta-dores solares para el calentamiento de agua para uso domesti-co. Existen varios disenos de captadores solares: los planos,los de tubos evacuados, los de concentracion solar. En todosellos la energıa solar es captada en una superficie absorbenteque transfiere el calor a un fluido, tıpicamente agua.

A finales de 2010, la capacidad de colectores solarestermicos en operacion en todo el mundo era igual 195.8gigawatt-termico (GWt), correspondiente a 279,7 millonesmetros cuadrados. A finales del 2011 se estima que habra cre-cido en un 25 %, a 245 GWt (Weiss y Mauthner, 2012) . Deesta cantidad, el 88.3 % corresponde a colectores solares deplaca plana (FPC) y de tubos al vacıo (ETC), el 11 % corres-ponde a colectores sin cubierta de vidrio y solo el 0.7 % a co-lectores solares para calentamiento de aire con y sin cubiertade vidrios. [7].

La figura 7 muestra la capacidad total instalada de colec-tores solares para calentamiento de agua en funcionamientoen los 10 paıses lıderes a finales de 2010. La gran mayorıa de

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FIGURA 7. Capacidad total instalada de colectores solares para ca-lentamiento de agua en funcionamiento en los 10 paıses lıderes afinales de 2010.

las colectores solares para agua con y sin cubierta de vidrioen funcionamiento estan instalados en China (117.6 GWt),en Europa (36.0 GWt), y en Estados Unidos y Canada (16.0GWt, la mayorıa son colectores no cubiertos de vidrio); enconjunto representan el 86.6 % del total instalado a nivelmundial [7].

En Mexico [8], en el ano 2010, se instalaron sistemasde captadores solares para calentamiento de agua en unareaequivalente de 272,580 m2, llegando a un acumulado de1,665,502 m2.

8. Calentamiento Solar para Procesos Indus-triales

Un area relativamente nueva de aplicacion de la energıa solarse da en los sectores comerciales e industriales. El sector in-dustrial tiene uno de los consumos energeticos mas elevadosen el mundo; en Mexico corresponde al 26.3 % del consu-mo final total de energıa. El uso de la energıa solar en estesector es limitado a nivel mundial, pero tiene un gran poten-cial de desarrollo. Los principales requerimientos de energıapara los procesos comerciales o industriales ocurren a tem-peraturas por debajo de los 250◦C. Hay muchas aplicacionespara procesos en el sector industrial que requieren energıa atemperaturas inferiores a los 80◦C que pueden ser facilmen-te alcanzables con la tecnologıa comercial de los captadoressolares planos o tubos evacuados que se encuentran ya en elmercado. Para aquellas aplicaciones que necesitan tempera-turas superiores a los 80◦C y hasta los 250◦C, se necesi-ta desarrollar tanto los captadores solares de alta eficienciacomo concentradores solares con sus diversas componentespara integrar sistemas. Entre esas aplicaciones se encuentranlos sistemas para enfriamiento o refrigeracion. Actualmentehay 90 plantas termosolares para calor de proceso industrialreportadas en el mundo, con una capacidad instalada de cercade los 25 megawatts-termicos (MWt) (35,000 m2). El poten-cial es mucho mayor. Solo en los paıses de la Union Europea(EU25), se estima que el potencial es de 100 a 125 GWt [9].En Mexico esta tecnologıa es totalmente incipiente.

9. Potencia Electrica Termosolar

Finalmente, presentaremos las tecnologıas termosolares parala generacion de electricidad. De todas las tecnologıas sola-res, estas tienen un potencial de desarrollo muy elevado, dehecho en losultimos anos han tenido un rapido crecimiento.Estas tecnologıas estan basadas en sistemasopticos de con-centracion solar.

Las plantas de potencia de concentracion solar (PPCS)producen potencia electrica transformando la energıa solaren energıa termica a alta temperatura. Esta energıa termica estransferida al bloque de potencia para producir electricidad.Las plantas de potencia de concentracion solar pueden serdimensionadas para generar electricidad para poblados pe-quenos (10 kWe) o para aplicaciones conectadas a la red (has-ta 100 MWe o mas). Algunos sistemas usan almacenamientotermico para perıodos de nublados o para usarse en la no-che. Otras plantas pueden combinarse con sistemas que ope-ran con gas natural y las plantas hibridas resultantes ofrecenpotencia despachable de alto valor. Estos atributos, junto conel record mundial de eficiencia de conversion solar-electri-ca (30 % de eficiencia), hacen que estas tecnologıas sean unaopcion muy atractiva en zonas del planeta dentro del cinturonsolar con una alta insolacion, como las que existen en el no-roeste del paıs.

Existen cuatro tecnologıas que estan siendo promovidasinternacionalmente. Cada una de ellas puede variar en di-senos o en configuracion. La cantidad de potencia genera-da por una PPCS depende de la cantidad de radiacion so-lar directa que incide sobre ella. Estas tecnologıas usan fun-damentalmente radiacion solar directa. La figura 8 muestrafotografıas de las cuatro arquitecturas que existen: cilindro-parabolicos, Fresnel-lineal, disco-Stirling y de receptor cen-tral.

El ejemplo mas emblematico de las PPCS es sin lugara dudas el constituido por el complejo de potencia termoso-lar ubicado en Kramer Junction en California, los llamadosSEGS (Solar Energy Generating Systems). Este complejo es-ta constituido por 9 plantas que utilizan concentradores deltipo cilindro-parabolicos, y que en su conjunto ocupa una su-perficie de 2.5 millones de m2 de concentradores solares. Los9 SEGS de diferentes capacidades suman en total 354 MWe.Este complejo termosolar se construyo entre los anos de 1986y 1991. La experiencia en la operacion de los SEGS en Ca-lifornia arroja 100 anos equivalentes de operacion comercialdemostrando tener las mas altas eficiencias solares y produ-ciendo la electricidad solar mas barata con una alta disponibi-lidad de planta. Estas plantas fueron disenadas como plantashıbridas a gas con un 75 % solar y un 25 % de gas. La figura9 muestra dos fotografıas del complejo termosolar.

En los ultimos anos, y despues de un largo periodo, deaproximadamente 15 anos de no construir nuevas PPCS, seestan construyendo a un ritmo acelerado, diferentes plantasen todo el mundo. El incremento es sorprendente y se puedeafirmar que hay mas de 10,000 MWe en operacion, construc-cion o desarrollo.

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FIGURA 8. Plantas de potencia de concentracion solar, cuatro arquitecturas: a) Cilindro-parabolico, b) Fresnel-lineal, c) Plato-Stirling y d)Receptor Central.

FIGURA 9. Vista aerea del complejo termosolar de Kramer Junction en California, EUA.

Como ejemplo de estas nuevas plantas se presenta a laPPCS Gemasolar ubicada en San Lucar La Mayor en Sevilla,Espana. Esta es una planta de 19.9 MWe con arquitectura dereceptor central y es la primera planta comercial en el mundoque aplica la tecnologıa de receptor de torre central y alma-cenamiento termico en sales fundidas. La produccion electri-ca neta es de 110 gigawatts-hora por ano (GWh/ano) y tiene

un campo solar con 2,650 heliostatos en 185 hectareas. Elsistema de almacenamiento termico de la planta consiste deun tanque de almacenamiento de sales calientes que permiteuna autonomıa de generacion electrica de hasta 15 horas sinaporte solar. La figura 10 muestra dos fotografıas de la plantasolar de torre central Gemasolar en operacion. Foto: TorresolEnergy.

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TRANSICION ENERGETICA, ENERGIAS RENOVABLES Y ENERGIA SOLAR DE POTENCIA 83

FIGURA 10.Fotografıas de la planta solar de torre central la planta solar de torre central Gemasolar en operacion. Foto: Torresol Energy.

FIGURA 11. Torre y heliostatos en el Campo de Prueba de He-li ostatos en Hermosillo Sonora, 2011.

10. Investigacion y desarrollo en Mexico enPPCS

Son varios los grupos en Mexico que estan trabajando en in-vestigacion y desarrollo de tecnologıas solares. Solo como unejemplo de los esfuerzos que se estan haciendo, en particu-lar para impulsar las tecnologıas de generacion de potenciatermosolar, se menciona el Campo de Pruebas de Heliosta-to (CPH), recientemente inaugurado (Octubre, 2011) en Her-mosillo, Sonora. El CPH se desarrollo como uno de los sub-proyectos del proyecto denominado “Laboratorio Nacionalde Sistemas de Concentracion y Quımica Solar” (LACYQS),financiado por el CONACYT, la UNAM y la UNISON y cu-ya institucion responsable es el Centro de Investigacion enEnergıa de la UNAM. El objetivo general de dicho proyectoes dotar a Mexico de instalaciones de primer nivel para llevara cabo investigacion y desarrollo tecnologico en las tecno-logıas de concentracion solar, ası como ayudar a consolidarlas redes de investigacion y la formacion de recursos huma-nos en elarea. El CPH es una instalacion de tecnologıa detorre solar,unica en Latinoamerica, que cuenta con una torrede 33 m de altura un laboratorio y cuarto de control anexos,

y un campo de 15 heliostatos, cada uno de 36 m2 y con razonde concentracion de 25. Actualmente se lleva a cabo en elCPH el desarrollo y prueba de prototipos de heliostatos defabricacion nacional, que son una de las componentes cla-ves de la tecnologıa de torre solar. En la segunda etapa delproyecto LACYQS que ha iniciado este ano, el CPH se trans-formara en una Planta Experimental de Torre Central, quecontara con 82 heliostatos, para alcanzar una potencia totalde 2 MW termicos, con un nivel de concentracion de 900.Se desarrollara tambien un receptor termico y sus compo-nentes auxiliares, que permitiran llevar a cabo investigacionsobre generacion electrica [10], ver figura 11. Se espera queesta instalacion permita impulsar el desarrollo de una indus-tria nacional de PPCS.

11. Conclusiones

A manera de conclusion se presentan las siguientes ideas:

La epoca de petroleo barato ha terminado y se esperaun mix energetico mundial para los proximos 20 anos.

La demanda energetica mundial esta en continuoaumento a un ritmo de crecimiento anual del 2.47 %.

En el mundo se ha iniciado ya un perıodo de tran-sicion energetica. Varios paıses estan implementandopolıticas que les permite ir cambiando su actual siste-ma energetico a uno sustentable.

Las ER estan creciendo, pero necesitan apoyo a largoplazo para asegurar su competitividad.

Las energıas renovables pueden cubrir el 50 % de lademanda energetica mundial a mediados del presentesiglo.

Mexico, como otros paıs de America, requiere un cam-bio de paradigma energetico, que permita entrar de lle-no a la transicion energetica.

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Las ER son la solucion al problema energetico deMexico, centroamerica y el caribe y de su desarrollosustentable.

Para garantizar el desarrollo sustentable de los paıses,los estados nacionales debe comprometerse con una vi-sion a largo plazo del aprovechamiento de las ER.

La penetracion masiva de las ER precisa tambien deuna serie de hitos tecnologicos que permitan acelerartodo el proceso.

Es necesario multiplicar el esfuerzo de apoyo publi-

co a la investigacion-desarrollo-innovacion-educacion(I+D+i+E).

Las ER son una gran oportunidad para la innovacion,el desarrollo cientıfico, tecnologico, economico y so-cial de Mexico, centroamerica y el caribe.

Dadas las condiciones actuales del desarrollo de lastecnologıas de ER y en particular de la solar en el mun-do, existe todavıa una gran oportunidad para que Mexi-co ingrese a la competencia mundial por el desarrollode las ER.

1. Balance Nacional de Energıa. SENER 2012.

2. National Petroleum Council, 2007 after Craig, Cunninghamand Saigo.

3. Panorama Energetico de Mexico. Reflexiones Academicas In-dependientes. Consejo Consultivo de Ciencias, CoordinadorJorge Flores, 2011.

4. Reporte del Estatus de Energıas Renovables, REN 21 2012(www.ren21.net)

5. Balance Nacional de Energıa 2011. SENER.

6. BP Energy Outlook 2030. Londres, Enero 2011.

7. http://amdee.org/Proyectos/Proyectos %20 Elicos %20en %20Mexico %202011.pdf

8. http://www.snitt.org.mx/pdfs/bioenergeticos/PerspectivasBioenergiaMexico.pdf.

9. http://elmer.unido.org/fileadmin/usermedia/unido. orgSpanish/RegionalOffice Uruguay/uruguay/presentaciones

/06 HectorValdez - Minihidraulica Mexico.pdf

10. www.oksolar.com/abctech/worldsolar radiation.pdf.

11. Weiss, Werner and Franz Mauthner (2012), Solar Heat World-wide – Markets and Contributions to the Energy Supply 2010,Solar Heating and Cooling Programme, AEE INTEC, Gleis-dorf, Austria.

12. Asociacion Nacional de Energıa Solar. (www.anes.org2011).

13. Doug McClenahan, 2007. IEA Solar Heating & Cooling Pro-gramme 2007, www.iea-shc.org.

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