Boletín IIE - ineel.mx · PDF fileBranch staff CFE Generation visit IIE ... , diseño gráfico ... aprovechamiento del viento, sol, biomasa y de otras

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Boletín IIEPanorama actual

de las energías renovables

Año 37, abril-junio de 2013, vol. 37, núm. 2, ISSN0185-0059

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Sumario

Sumario 46 Editorial

47 Divulgación Esbozo de las energías renovables en México y en el IIE / Outline of

renewable energy in Mexico and at IIE Jorge Maximiliano Huacuz Villamar

54 Tendencia tecnológica Energía eólica / Wind power Marco Antonio Roberto Borja Díaz

58 Artículo técnico Desarrollo de la Máquina Eólica Mexicana en el IIE: Proyecto MEM

/ Development of Mexican wind machine at IIE: MEM project Raúl González Galarza, José Manuel Franco Nava, Francisco

Antonio Carvajal Martínez, Humberto Raúl Jiménez Grajales, José Luis Silva Farías, Raúl Garduño Ramírez e Ignacio Torres Contreras

67 Comunidad IIE •PedroJoaquínColdwell,SecretariodeEnergíavisitaelIIE/Pedro

Joaquín Coldwell, Secretary of Energy visited IIE•PersonaldelaSubdireccióndeGeneracióndelaCFEvisitaelIIE /

Branch staff CFE Generation visit IIE•PersonaldePEMEXvisitaelIIE / PEMEX personnel visit IIE•Interconexióndesistemas fotovoltaicosa la redeléctrica /Photo-

voltaic systems interconnection to the grid•IIEyCENERfirmanconveniomarcodecooperación / IIE and

CENER signed cooperation framework agreeement

Junta Directiva

Presidente: Francisco Rojas Gutiérrez, Director General de la Comisión Federal de Electricidad

Secretario: Hugo Gómez Sierra, Presidente de la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas

Prosecretario: Fernando A. Kohrs Aldape, Instituto de Investigaciones Eléctricas

Consejeros propietarios: • Francisco Leonardo Beltrán Rodríguez, Subsecretario de Planeación yTransiciónEnergética,SecretaríadeEnergía•LuisCarlosHernándezAyala,DirectordeOperación,ComisiónFederaldeElectricidad•GuillermoTurrentSchnaas,DirectordeModernización,ComisiónFederaldeElectricidad•JoséLuisAburtoÁvila,SubdirectordeProgramación,ComisiónFederaldeElectricidad• NoéPeñaSilva,SubdirectordeTransmisión,ComisiónFederaldeElectricidad•JaimeFrancisco Hernández Martínez, Director General de Programación y Presupuesto “B” de la Secretaría deHacienda yCrédito Público • JoséNarroRobles, Rector de laUniversidaNacional Autónomade México • Yoloxóchitl Bustamante Diez, Directora General del Instituto Politécnico Nacional• Salvador Vega y León, Rector General de la Universidad AutónomaMetropolitana • InocencioHiguera Ciapara, Director Adjunto del Centro de Investigación, Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología• JaimeParadaÁvila,DirectorGeneral,InnovaciónyCompetitividad,S.A.deC.V.

Comisarios públicos:•MarioAlbertoCervantesGarcía,DelegadoyComisarioPúblicoPropietariodel Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública • Juan Edmundo Granados Nieto,Subdelegado y Comisario Público Suplente del Sector Energía de la Secretaría de la Función Pública

Invitados: • Odón de Buen Rodríguez, Director General de la Comisión Nacional para el UsoEficientedelaEnergía•CarlosAntonioÁlvarezBalbas,SocioDirector,DespachoÁlvarezBalbas,S.C. •MiguelVázquezRodríguez, Presidente de laComisiónde Innovación yTecnología de laCámara Nacional de Manufacturas Eléctricas

Comité Técnico Operativo

Presidente: Reyna Amada Velázquez Montes, Secretaría de Energía

Secretario técnico: Fernando A. Kohrs Aldape, Instituto de Investigaciones Eléctricas

• Luis Carlos Hernández Ayala, Comisión Federal de Electricidad • Mario Alberto CervantesGarcía,SecretaríadelaFunciónPública•JuanEdmundoGranadosNieto,SecretaríadelaFunción

•AsesoríaTécnica paraMesoamérica y el Caribe /Technical assis-tance for Mesoamerica and the Caribbean

70 Breves técnicas Conversión de biomasa a energía / Conversion of biomass to energy

José Luis Arvizu Fernández Energía minihidráulica / Small hydro power Ricardo Saldaña Flores Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE) / Regional Wind

Techonology Center (CERTE) Marco Antonio Roberto Borja Díaz El IIE y la tecnología de canal parabólico / IIE and parabolic solar

collectors technology Carlos Ramos Berumen, Juan Rafael Ramírez Benitez y José Beltrán

Adán Tecnologías termosolares a concentración para generación de electri-

cidad / Concentration solar thermal technologies for electricity generation Carlos Ramos Berumen Retos de la tecnología fotovoltaica / Challenges of photovoltaic

technology Jaime Agredano Díaz

82 Artículo de investigación Impacto de un sistema fotovoltaico interconectado a red en la

demanda eléctrica de un usuario DAC en BCS / Impact of a grid-con-nected PV system to the main of a DAC demand electricity user in BCS

Humberto Raúl Jiménez Grajales, Jaime Agredano Díaz, Raúl González Galarza y Gonzalo Munguía del Río

Pública • JaimeFranciscoHernándezMartínez, Secretaría deHacienda yCrédito Público • JoséNarroRobles,UniversidadNacionalAutónomadeMéxico•YoloxóchitlBustamanteDiez,InstitutoPolitécnicoNacional • SalvadorVega y León,Universidad AutónomaMetropolitana • InocencioHigueraCiapara,ConsejoNacionaldeCienciayTecnología•OdóndeBuenRodríguez,ComisiónNacionalparaelUsoEficientedelaEnergía•MiguelVázquezRodríguez,ComisióndeInnovacióny Tecnología de la Cámara Nacional de Manufacturas Eléctricas

Comité Editorial

•JuliánAdameMiranda,DirectorEjecutivo•ÁngelFierrosPalacios,DirectordeEnergíasAlternas• SalvadorGonzálezCastro,DirectordeTecnologíasHabilitadoras•RolandoNievaGómez,Directorde SistemasEléctricos • JoséM.González Santaló,Director de SistemasMecánicos •FernandoA.KohrsAldape,DirectordePlaneación,Gestiónde laEstrategiayComercialización•JoséAlfredoPérez Gil y García, Director de Administración y Finanzas • Francisco Escárcega Rodríguez,Coordinador de Comunicación Institucional • GladysDávilaNúñez, Jefa del Departamento deDifusión• FedericoEstradaArias,CoordinadorEditorial•ArturoFragosoMalacara,diseñográfico• Verónica García Rodríguez, diagramación, formación y cuidado de la edición •Wendy LugoSandoval,publicaciónelectrónica•SergioOrtegaLópez,fotografía•AnaMaríaSámanoRamírez,distribución

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Comercialización Difusió[email protected] [email protected] López García Gladys Dávila NúñezTeléfono: (+52) (777) 362 3851 Teléfono: (+52) (777) 362 [email protected] [email protected]

Boletín IIE es una publicación trimestral, de distribución gratuita y editada por el Departamento de DifusióndelInstitutodeInvestigacionesEléctricas(IIE).Losartículosfirmadossonresponsabilidaddesus autores. El material de este boletín solo puede reproducirse parcial o totalmente, con la autorización escritadelIIE.ISSN0185-0059.Certificadodelicituddetítulo01777.Franqueopagado,publicaciónperiódica, permiso número 002 0583, características 319 321412, autorizado por Sepomex.

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Boletín IIEabril-junio-2013

Editorial

Editorial

El aire, el fuego, el agua y la tierra, elementos naturales que desde tiempos remotos fueron considerados por diversas culturas como regalos divinos o las mismas divinidades, o como agentes que regían sus vidas, convirtiéndose en motores que dieron como resultado grandes economías, grandes sociedades, grandes imperios.

Hoy en día estos cuatro elementos están presentes en las agendas de todos los países, al estar considerados como los elementos que seguirán moviendo al mundo, gracias a su capacidad para generar la energía necesaria para tal efecto (eólica, fotovoltaica, maremotriz o geotérmica) en sustitución de los tradicio-nales hidrocarburos.

YesprecisamenteenestenúmeroespecialdelBoletínIIE,dondelespresen-tamos, a través del artículo de divulgación, un esbozo de las energías reno-vables en México y el papel que el Instituto de Investigaciones Eléctricas ha jugado para su desarrollo e implementación en el país.

En el artículo sobre tendencia tecnológica se habla sobre la energía eólica, en particular la capacidad eoloeléctrica en México y en el mundo, y cómo es que se busca alcance su verdadera madurez.

En el artículo técnico se aborda el desarrollo de la máquina eólica mexicana, la MEM, un proyecto desarrollado por el IIE, donde se dan a conocer sus características técnicas y su funcionalidad.

Las breves técnicas abordan diversos temas que incluyen: conversión de biomasa a energía; energía minihidráulica; el Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE); la tecnología de canal parabólico; las tecnologías termoso-lares a concentración para generación de electricidad y los retos de la tecno-logía fotovoltaica (FV).

El artículo de investigación plantea el impacto de un sistema fotovoltaico interconectado a red en la demanda eléctrica de un usuario DAC en Baja California Sur, cuyos resultados se obtuvieron con base en un monitoreo de la operación del sistema realizado durante tres años.

Sin duda alguna las energías renovables seguirán jugando un papel prepon-derante en el desarrollo y la generación de energía eléctrica, la cual apuesta no solo a disminuir los costos que ello implica, sino también a la protección

del medio ambiente y la reducción del cambio climático, basándose en las estrategias que cada uno de los países plantee, en el caso particular de México en la estrategia nacional de energía, desa-rrollada por la Secretaría de Energía, y apoyándose en centros de investigación como el Instituto de Investigaciones Eléctricas, el cual se mantiene a la vanguardia tecnológica.

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Divulgación

Esbozo de las energías renovables en México y en el IIE

Jorge Maximiliano Huacuz Villamar

Abstract

The use of renewable energy continues to rise around the world, despite the economic crisis, fiscal deficits and problems caused by the slow-down of investments. Projects for the use of wind, sun, biomass and other renewable energy sources continue contributing to global energy supply. This article discusses how technological innovation and market growth have been important factors for reducing the costs of renewable energy and how the Instituto de Investigaciones Eléctricas has assimilated these technologies for use in Mexico.

Introducción

El uso de las energías renovables (ER) crece rápida-menteenelmundo:casiel17%delconsumofinalactual de energía proviene de ER, mediante tecno-logías que las convierten en calor o electricidad principalmente.

A pesar de las crisis económicas en Europa, el déficit fiscal en losEstadosUnidos, problemas porla desaceleración de las inversiones y otros fenó-menos de esta naturaleza, los proyectos para el aprovechamiento del viento, sol, biomasa y de otras fuentes renovables de energía se suceden uno a uno, incrementando continuamente su contribución al suministro energético global. Casi la mitad de la nueva capacidad instalada para generación eléctrica (208 GW)enelmundo fuecon tecnologíadeERen 2011, con lo que la participación de estas fuentes se elevó a más del 25% de la capacidad total y sumi-nistra más del 20% de la electricidad global (Global Status Report 2012).

Si bien la innovación tecnológica y el crecimiento de los mercados han sido factores para la disminución de los costos de las ER, su desarrollo sigue depen-diendo en gran medida de instrumentos de política

Las energías renovables son abundantes en México y su contribución al logro de objetivos estratégicos y de integración en el ámbito energético nacional puede llegar a ser muy significativa.

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Divulgación

que han sido creados para su fomento: tarifas preferenciales para inyección de electricidad a la red o Feed-in-tariffs (Institute for Building Efficiency), porta-folios energéticos o renewable portfolio standards (Wiser, 2009),mediciónnetao net-metering (Wan yGreen, 1998), y otros. En la actualidad, alrededor de120 países cuentanconalgún tipode instrumentopara talpropósito, aunqueen algunos casos éstos no pasan de ser una declaración de buenas intenciones, o tienen un futuro corto o incierto.

Sustituir combustibles fósiles en beneficio del medio ambiente, o para incre-mentar la seguridad energética, o para suministrar energía a los sectores más necesitados de la sociedad son sin duda razones de peso para el uso de las ER, sin embargo, un potente motor para el fomento de sus aplicaciones es el factor económico. Las ER son un buen negocio, un foco de atracción para inversio-nistas y un factor importante para la reactivación industrial, el surgimiento de nuevos negocios y la creación de empleos.

La inversión global anual en ER pasó de 39 mil millones de dólares en el año 2004, a 257 mil millones de dólares en 2011. Se estima que en este último año, más de cinco millones de personas en el mundo trabajaron en la industria de las ER(WanyGreen,1998).Desdeluegoquelamayoríadeempleosylosmejorremunerados se dan en los países que producen las tecnologías, lo que explica por qué fomentan el uso de las ER y el establecimiento local de las correspon-dientes cadenas de suministro.

Las ER son abundantes en México y su contribución al logro de objetivos estra-tégicos y de integración en el ámbito energético nacional puede llegar a ser muy significativa,tantoenloqueserefierealasustentabilidaddelsector,comoenlorelativo a la seguridad energética nacional, así como a la protección del medio ambiente, no obstante, hasta ahora su aprovechamiento ha sido muy limitado: en la oferta interna bruta de energía de 2011 (SENER), las ER solamente repre-sentaron el 7.4%; en el sector eléctrico, la capacidad de generación con ER a diciembre de 2012 llegó al 24.5%: 22% con grandes hidroeléctricas y 2.5% con eólica y geotermia (SENER).

Marco jurídico y normativo

El marco jurídico para el fomento de las ER es relativamente nuevo en México. Nace en 2008 mediante varias leyes que, directa o indirectamente, promueven su desarrollo: la Ley para el Aprovecha-mientoSustentablede laEnergía(DOFnoviembre2008), la Ley para el Aprovechamiento de las Ener-gías Renovables y el Financiamiento de la Transición Energética (LAERFTE) (DOF octubre 2008) yla Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioener-géticos (DOF febrero 2008). En ellas se asignanfunciones y responsabilidades institucionales tales como: elaborar el Programa Especial, la Prospec-tiva Nacional y el Inventario Nacional de las ER (SENER); establecer la metodología para su valua-ción ambiental (SEMARNAT); establecer la regu-lación para la producción de electricidad con ER (CRE); establecer reglas para su despacho (CFE), y promover su uso (CONUEE). En particular, laLAERFTE es el mecanismo del Estado Mexicano para dar impulso a las políticas, programas, acciones y proyectos encaminados a conseguir una mayor utilización y aprovechamiento de las renovables. Esta ley fija la obligación de la Secretaría de Economíaparadefinirpolíticas ymedidaspara fomentarunamayor integración nacional de equipos y compo-nentes para el aprovechamiento de las ER y su trans-formacióneficiente,creandoelFondoparalaTran-sición Energética y el Aprovechamiento Sustentable de la Energía. Por otro lado, con base en las dispo-siciones de la Ley Federal de Derechos en Materia de Hidrocarburos, en 2007 se crea el Fondo Secto-rial CONACYT-SENER-Sustentabilidad Energé-tica para el fomento de la investigación científicay tecnológica en materia de energía renovable (Ley Federal de Derechos).

Casi a la par con el establecimiento de este marco jurídico, se da en México el despegue de la genera-ción eléctrica con energía del viento, principalmente en la zonadeLaVentosa en elEstadodeOaxaca.En 2006 entra en operación la central de La Venta II, proyecto de la Comisión Federal de Electricidad (CFE)enlamodalidaddeObraPúblicaFinanciada(OPF). Cabe destacar que un pequeño proyectopiloto denominado La Venta se había construido 12 años antes en el mismo sitio. A partir de 2009 se instalan varias plantas eólicas, principalmente en la modalidad de autoabastecimiento para empresas del sector privado y más recientemente en la moda-lidad de productor independiente de energía para

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Divulgación

venta de electricidad a la CFE. A diciembre de 2012, el parque eólico deMéxico incluía ya 1,370 MWde capacidad en operación (Asociación Mexicana de Energía Eólica) y una importante capacidad adicional en construcción, casi todo en la región del Istmo de Tehuantepec (ver tabla). A la vez, varios proyectos se encontraban ya en distintas fases de desarrollo en otras regiones del país.

La tasa de crecimiento en México de las otras ER no ha sido tan rápida como en el caso de la eólica, en parteporquesuscostosnohanbajadolosuficiente,porque los recursos están más dispersos geográ-ficamente que en el caso eólico, porque no hayprogramas para su desarrollo, y porque aún no se establecenempresasdelramoconempujesuficientepara el desarrollo de los correspondientes mercados.

No obstante lo anterior, la tendencia al crecimiento en algunas ER también es a la alza. El caso de los sistemas de microgeneración conectados a red es un buen ejemplo.

En 2007, la Comisión Reguladora de Energía (CRE) emitió una resolución para el autoabastecimiento

Figura 4. Temperatura versus permitividad έ.

domiciliario y comercial en baja tensión con generadores fotovoltaicos (FV), en lamodalidaddemediciónneta(DOFjunio2007),quepermiteinyectararedlaelectricidad FV no consumida por el usuario y echar el medidor para atrás, con losbeneficios técnicosyeconómicosqueello implica (Guíadeusuario,SFV).Una segunda resolución de la CRE en 2010 extiende esta posibilidad al usode otras tecnologías de ER y amplía el rango de potencia y tensión en el caso delosusuarioscomerciales(DOFabril2010).Másrecientemente,en2012,laCRE emite la resolución para lo que se llama Fuente Colectiva de Generación (DOFagosto2012),mediantelacualunconjuntodeusuarios,porejemploenun condominio, pueden asociarse e instalar su propia planta de generación con ER. Del año 2007 a la fecha, la potencia para microgeneración instalada en estas modalidadeshaalcanzadoyalos13.5MWen1,700contratosdeinterconexión(CFE, diciembre 2012). Se anticipa que, en tanto los costos de las tecnologías de ER sigan bajando y siga aumentando el costo de la electricidad, el número de instalaciones para medición neta seguirá creciendo, sobre todo entre usuarios domiciliarios en tarifa de alto consumo o DAC.

A pesar de estos avances es notorio el rezago que acusa México en el seno de lospaísesde laOrganizaciónpara laCooperaciónyelDesarrolloEconómicos(OCDE),einclusoenrelaciónconlospaísesdelllamadoGrupoBRICS(Brasil,Rusia, India, China y Sudáfrica). Si bien las tendencias son alentadoras, los números, tanto absolutos como relativos, están todavía lejos de lo deseable frente a las metas de generación no fósil establecidas en la Ley (LAERFTE, 2011): 35% para el año 2024, 40% para el año 2035 y 50% para el año 2050, lo que presagia una participación importante de las ER y desde luego retos enormes en varios

Proyectos eólicos en operación en OaxacaProyecto Esquema Desarrollador Turbinas FOC En operación en 2012

La Venta OPF CFE Vestas 1994 1,6La Venta II OPF CFE Gamesa 2006 83,3Parques Ecológicos de México Autoabastecimiento Iberdrola Gamesa 2009 79,9Eurus, Fase I Autoabastecimiento Cemex/Acciona Acciona 2009 37,5Eurus, Fase II Autoabastecimiento Cemex/Acciona Acciona 2010 212,5BiiNeeSOpaI Autoabastecimiento Iberdrola Gamesa 2010 26,35La Mata - La Ventosa Autoabastecimiento Eléctrica del Valle de México (EDFEN) Clipper 2010 67,5Fuerza Eólica del Istmo Autoabastecimiento Peñoles Clipper 2011 50Fuerza Eólica del Istmo II Autoabastecimiento Peñoles Clipper 2012 30La Venta III PIE CFE/Iberdrola Gamesa 2012 102OaxacaII,IIIyIV PIE CFE/Acciona Acciona 2012 306OaxacaI PIE CFE/EYRA Vestas 2012 101BiiNeeSOpaII Autoabastecimiento Gamesa/ENEL Gamesa 2012 74Piedra Larga Fase I Autoabastecimiento Renovalia/DEMEX Gamesa 2012 90BiiNeeSOpaIII Autoabastecimiento Gamesa/ENEL Gamesa 2012 70Total: 1331,65

Proyectos eólicos en operación en otros estados del paísProyecto Estado Esquema Desarrollador FOC En operación en 2012

La Rumorosa I Baja California Autoabastecimiento Gobierno BC 2010 10Arriaga Chiapas Autoabastecimiento Grupo Salinas 2012 28,8Total: 38,8

Tabla. Proyectos eólicos en operación en México. Última actualización diciembre 2012. Fuente: http://www.amdee.org/Recursos/Pro-yectos_en_Mexico

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Divulgación

aspectos.Nohaymetasoficialesparaotrossectores,apesardelasgrandesopor-tunidades que existen para las renovables en los sectores doméstico y comercial, así como en diversas ramas industriales.

La realidad del país en relación con las ER muestra lo siguiente: el inventario nacional de estos recursos, punto de partida de la cadena de valor, no se ha realizado a pesar de ser mandato de ley; la tecnología nacional para su explo-tación es muy escasa y no se cuenta con un programa de mediano/largo plazo para desarrollarla (la mayoría de los proyectos realizados en el país utilizan prin-cipalmente tecnología importada). A falta de un programa para el desarrollo de proveedores, las pocas empresas nacionales de manufactura son fácilmente reba-sadas por empresas comercializadoras de productos importados, no siempre de la mejorcalidad.Asimismoseobservaunanotablefaltadenormas,especificacionestécnicas, laboratoriosparapruebaycertificacióndeequiposdeER,elementosfundamentales para la sustentabilidad de los proyectos y del correspondiente suministro energético. La formación de capital humano para el desarrollo tecno-lógico y de proyectos, así como para la operación y mantenimiento de instala-ciones también es tarea pendiente.

Experiencia del IIE en energías renovables

Desde su creación hace ya casi 38 años, las energías renovables han sido parte de la agenda de trabajo del IIE. En sus primeros años se enfatizó la formación de capital humano e infraestructura de soporte, ambos escasos por aquella época, tanto en el país como en el resto del mundo. La asimilación de la naciente tecno-logía para la conversión de las ER en electricidad también fue objetivo en aque-llos primeros años, tarea que continúa hasta nuestros días, conforme evoluciona la tecnología.

A principios de la década de 1980, el IIE promovió, junto con varias institu-ciones académicas, la creación de la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES), organización no gubernamental con la mayor tradición en la promo-ción de las ER en el país.

Acrecentar y consolidar las capacidades fue un siguiente paso que se dio con la incorporación del IIE a los Acuerdos de Implementación de la Agencia Inter-nacionalde laEnergíay con lafirmadeconveniosdecolaboracióncon insti-

tuciones homólogas de países más avanzados. En la actualidad, el IIE juega un papel importante en el desarrollo tecnológico nacional y actúa como faci-litador del proceso de implementación sustentable de las ER, brindando apoyo técnico especializado a instituciones y empresas públicas y privadas.

Potencial de energías renovables en México

La evaluación del potencial de las ER en México ha sido históricamente una de las principales preo-cupaciones, y ocupaciones, del IIE. Las actividades correspondientes se describirán con amplitud en un próximo número de este boletín. Baste por ahora mencionar que en el tema de la energía eólica, el IIE hizo las primeras estimaciones del viento como recurso energético en México hace ya más de 30 años (BIIE4, 1980) y llevó a cabomedicionesdeeste recursoen la regióndeLaVentosa,Oaxaca(BIIE 4, 1980). Desde entonces, el Instituto ha reali-zado múltiples acciones para impulsar el desarrollo de la energía eólica en este país (Rúbricas 2012) y en particular del ahora llamado corredor eólico del Istmo de Tehuantepec (Borja et al, 2005). Hace ya varios años se diseñaron, construyeron y probaron pequeños aerogeneradores para aplicaciones en el medio rural (BIIE 4, 1980), actividad que quedó suspendida durante varios años, debido a condi-ciones poco favorables para la introducción de tecnología en regiones sin acceso a la red eléctrica.

En 2004, el IIE implementó el Plan de Acción Eólico(planeolico.iie.org.mx)quecontóconfinan-ciamiento del Fondo para el Medio Ambiente Global (GEF por sus siglas en inglés) a través del Programa deNacionesUnidasparaelDesarrollo(PNUD),elcual incluyó la construcción del Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE) (iie.org.mx) en la Ventosa,Oaxaca.Comopartede suestrategiaparael desarrollo de tecnología eólica nacional, el IIE emprendió un proyecto para diseñar y construir una turbinaeólicade1.2MWen2007,conocidocomoProyecto MEM (iie.org.mx) explicado a detalle en la sección del artículo técnico de este boletín, el cual en 2009 fue aprobado para financiamiento comopartede la carteradelFondoSENER-CONACYTde Sustentabilidad Energética. Se ha concluido ya la ingeniería básica de la turbina y se avanza en lo correspondiente a la ingeniería de manufactura, con apoyo de la empresa RuhrPumpen de Monterrey.

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Divulgación

La construcción del prototipo aún está pendiente, en espera de que el Comité Técnico y de Adminis-tración del Fondo apruebe los recursos necesarios. El proyecto ha sido ya evaluado positivamente por expertos nacionales e internacionales.

Energía solar

La industria mexicana de procesos es altamente consumidora de energía, incluyendo gas natural y gas LP, para suministrar calor a distintas operaciones. La rentabilidad de las empresas se ve fuertemente afectada por los costos de este insumo, por lo que el IIE se dio a la tarea de desarrollar alternativas para el suministro de calor con base en la tecnología de concentración solar conocida como canal parabó-lico. Luego de algunos proyectos piloto y demos-trativos, la tecnología desarrollada en el IIE llegó a la etapa comercial (Ramos et al, 2008) y en 2012 fue licenciada a la empresa mexicana Sistemas de Energía Alterna para su fabricación industrial y explotación comercial. Actualmente se desarrollan varios proyectos comerciales para la sustitución de gas natural/LP, utilizando la tecnología IIE, y a la vez se continúa en un proceso de mejoras para que elconcentradorsolarseamáseficiente,másduraderoymáseconómico.EstudiosfinanciadosporelFondoSENER-CONACYTdeSustentabilidadEnergética

muestran el gran potencial de aplicación de esta tecnología en las pequeñas y medianasempresasdelosramostextilyalimenticio(Ramoset al,2012).

Hasta hace pocos años, las principales aplicaciones fotovoltaicas (FV) eran en telecomunicacionesyelectrificaciónrural.LaprincipalcontribucióndelIIEhasido el desarrollo de especificaciones técnicas para proyectos de electrificaciónrural en apoyo a la CFE, así como metodologías para la implementación y segui-miento de proyectos y programas (Agredano, 2008). A últimas fechas, la tecno-logía FV ha bajado de precio en forma considerable, lo que ha permitido una mayor integración a la red eléctrica en el mundo, con plantas de mayor tamaño cada vez. México no es la excepción, aunque en cuanto a potencia, sus insta-laciones todavía son de tamaño y propósito piloto/demostrativo. Los primeros ensayos sobre interconexión a red de sistemas FV en México fueron realizados porelIIEen1997,conungeneradorFVde2.5kW(Agredanoetal,1994).Aéste siguieron otros proyectos en distintos sitios del país, con apoyo de la CFE y de la extinta LyFC, los cuales arrojaron información valiosa que dio pie para laprimeraresolucióndelaCREsobremediciónnetaylaespecificacióntécnicaemitida por la CFE sirvió para las instalaciones interconectadas a la red (CFE, agosto 2008). El impulso a la aplicación de esta tecnología continuó en el IIE durante varios años, dentro del proyecto “Pequeños Sistemas FV Conectados a Red”, apoyado por el Fondo para el Medio Ambiente Mundial (GEF por sus siglaseninglés)atravésdelPNUD(iie.org.mx).Conmirasaresolverproblemastécnicos de la interconexión a redes débiles, se emprendió el desarrollo de conver-tidores electrónicos CD/CA, tecnología ya transferida a una empresa nacional para su fabricación e introducción al mercado. Actualmente, el IIE realiza estu-dios sobre los posibles impactos que sobre la red pudiera tener una penetración cada vez mayor de microgeneradores FV (Becerra et al, 2012).

Biomasa

La biomasa es un recurso energético de gran diversidad y abundancia en nuestro país. Con ella podemos obtener combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, útiles para la generación eléctrica mediante diferentes procesos. La producción de biogás a partir de excretas animales y otros residuos orgánicos fue el primer procesoque,confinesdegeneracióndeelectricidad,seestudióenelIIE.Enlosprimeros años de actividad se desarrollaron diversos tipos de reactores (bioga-sificadores) y se llevaron a cabo proyectos demostrativos en algunas comuni-dades rurales (BIIE 3, 1979). Posteriormente los especialistas aplicaron sus conocimientos sobre el tema a la recuperación del biogás de plantas de trata-miento de agua (Arvizu, 1996) y de rellenos sanitarios (Arvizu, 1997), lo que en 1991 materializó en la instalación de la primera planta piloto en México para la generación de electricidad con biogás de relleno sanitario, proyecto realizado en colaboración con la CFE, el Gobierno de la Ciudad de México y la extinta Luz y Fuerza del Centro (Arvizu y Huacuz, 2003). El desarrollo del proyecto para aprovechar el biogás que se produce en el relleno sanitario de Bordo Poniente ha sido el de mayor envergadura en que ha participado el IIE (Arvizu, 2008), realizando los estudios básicos para determinar el potencial de generación y brin-dando asistencia técnica al Gobierno de la Ciudad de México para la toma de decisiones. El contrato para la construcción de la central generadora, con una potencia cercana a los 60MW, fue asignado en fecha reciente auna empresanacional para su construcción.

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Divulgación

Las líneas actuales que se trabajan en el IIE para el aprovechamiento de la biomasa en la generación de electricidad incluyen la incineración de residuos sólidosmunicipales,lagasificacióndebambúylaproduccióndebiogásapartirde biomasa del nopal y del bagazo de caña.

Hidrógeno

El tema de hidrógeno y celdas de combustible ha estado en la agenda IIE desde principios de la década de 1980, cuando en colaboración con el Instituto Mexi-canodelPetróleo(IMP)seadquirióunaceldadeltipoácidofosfórico,conelfinde obtener conocimiento sobre la tecnología y sus posibles aplicaciones. En aquel tiempo, las celdas de combustible todavía estaban en una etapa muy incipiente de su desarrollo a nivel internacional y los trabajos en el IIE no fueron más allá dealgunosestudiospreliminares.Parafinalesdeladécadade1990seretomóeltema a nivel de ciencia básica y ya para el año 2002 se constituyó formalmente un grupo destinado al desarrollo de la tecnología, con enfoque en las celdas tipo PEM o de membrana de intercambio protónico. A la fecha, los trabajos de este grupo han materializado con el dominio de la tecnología y el consecuente desa-rrollo de sus componentes básicos, particularmente los ensambles membrana-elec-trodo, que son el corazón de la celda. El IIE cuenta ya con prototipos funcionales deceldasdecombustible tipoPEMenel rangode1kWa5kWdepotenciay trabaja en el desarrollo de aplicaciones, como es el caso de un vehículo eléc-tricoutilitarioquecuentaconfinanciamientodelFondoCONACYT-SENERdeSustentabilidad Energética. Asimismo, desarrolla tecnología para la obtención de hidrógeno a partir del agua, utilizando fuentes primarias de ER.

A lo largo de su existencia, el IIE ha logrado la correcta asimilación de tecnologías para el aprovechamiento de las energías renovables. Algunas, como las pequeñas hidroeléctricas, se quedaron en el camino luego de los primeros ensayos, debido a problemas principalmente de tipo legal e institucional, en relación con el uso del agua. Se espera que una vez resueltos con un nuevo marco jurídico, queden establecidaslascondicionesquepermitanimpulsarsudesarrollo.Otrasdenuevacreación a nivel internacional, como las tecnologías para el aprovechamiento de lasenergíasdelocéano,estánsiendoestudiadasparadefinirlasfuturaslíneasdetrabajo del IIE.

Unatareaimportanteahoraesfacilitarelprocesodeintegraciónalared,decanti-dades crecientes de capacidad de generación con ER, ya sea mediante grandes centrales en alta tensión, o generación distribuida en media tensión, o microge-neración en baja tensión, trátese de fuentes intermitentes o no. En el contexto de una red inteligente con alta penetración de ER, la flexibilidad del sistema es de suma importancia, lo que demanda un alto grado de automatización a todos los niveles, así como la incorporación de medios para el almacenamiento temporal deenergía,detalformaqueseasegureunsuministroconfiablefrenteadesba-lances grandes y rápidos por el lado de la generación o de la demanda. El estudio de estos temas ya está en camino en el IIE.

La Estrategia Nacional de Energía 2013-2027 pone énfasis en el reto que esta-blece la ley de llegar al año 2026 con 35% de la capacidad de generación con fuentes no fósiles y plantea un conjunto de líneas de acción que incluyen, entre otras: la exploración del territorio nacional para generar bases de datos que

permitan el aprovechamiento de los recursos de ER; fortalecer las capacidades técnicas para el desa-rrollo de proyectos; promover el desarrollo susten-table de proveedores mexicanos para incrementar el contenido nacional y establecer micro, pequeñas y medianas empresas; fomentar el desarrollo de recursos humanos especializados para la innovación tecnológica y el aprovechamiento de las ER; facilitar la interconexión de centrales de generación eléctrica para el autoabastecimiento, producción indepen-diente y pequeña producción con ER; incorporar las externalidades y el costo de las emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) asociados a la meta de no-fósiles; promover la diversificación en el parquede generación dentro de la planeación para incre-mentar la seguridad energética; incrementar la parti-cipación de la generación distribuida a partir de ER ylaelectrificacióndecomunidadesremotas,yopti-mizar la capacidad de respaldo de la CFE, para la incorporación de capacidad renovable.

Sin duda, el IIE está técnicamente preparado para asumir el rol que le corresponde en la ejecución de la estrategia nacional.

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JORGE M. HUACUZ VILLAMAR[[email protected]]

Doctor y Maestro en Ingeniería Física por la Universidad de California, San Diego, EstadosUnidos. IngenieroQuímico por la Facultad de CienciasQuímicas de laUniversidadNacionalAutónomadeMéxico(UNAM)en1970.Desde1980colaboraconelIIEysehadesempeñadocomo investigador,Coordinador delÁrea deEnergía Solar yGerente deEnergíasNoConven-cionales, puesto que ocupa desde 1995. Fue fundador y Presidente Nacional de la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES) de México. Miembro de la Sociedad Internacional de la Energía Solar y Editor Asociado de la revista Solar Energy, publicación científica de dicha sociedad. EsCoordinadorInternacionaldelaRedIberoamericanadeElectrificaciónRuralconEnergíasReno-vables(RIER)delProgramaIberoamericanodeCienciayTecnologíaparaelDesarrollo(CYTED).Pertenece al Grupo de Trabajo sobre Energías Renovables y al Comité Ejecutivo del Acuerdo Solar Power and Chemical Systems, ambos de la Agencia Internacional de la Energía, así como al Consejo paraelFomentodelasEnergíasRenovablesenMéxico(COFER).Hadictadoconferenciassobreel tema de las energías renovables en varios países y ha publicado artículos en revistas nacionales e internacionales.Esárbitrodevariasrevistascientíficasinternacionales.PoseeelnombramientodeInvestigador Nacional por el Sistema Nacional de Investigadores (SNI).

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Tendencia tecnológica

Energía eólica

Marco Antonio Roberto Borja Díaz

Abstract

The volume of business generated by the wind power industry is outstanding, mainly for wind turbine manufacturers. Globally, the demand for this technology has been outstripping supply, as the fields of application of wind turbines have increased rapidly. This article talks about how the rush to develop wind turbines is getting bigger, seeking that the wind power technology reaches its true maturity, so it can be finan-cially able to care for itself and how most wind turbine manufacturers are looking to achieve a competitive equilibrium.

Introducción

A finales de 2012, la capacidad eoloeléctricainstalada en el mundo ya acumulaba cerca de 260,000 MW. En México, en solo seis añospasamosdetenermenosde2MWeólicosatener1,370MWyseproyectacontarcon12,000MWpara el año 2020 (ENE 2013-2017).

Actualmente solo 12 países cuentan con fabri-cantes de aerogeneradores. En el mundo hay cerca de 40 fabricantes, pero son menos de diez los que tienen reconocido prestigio. Del resto, algunos compraron los derechos de la tecnología, otros fabrican modelos con elementos innovadores que aún no han logrado tener éxito y otros son fabricantes que, en mayor o menor medida, han copiado la tecnología de los casos exitosos.

El volumen de negocio que genera la industria eoloeléctrica es sobresaliente, principalmente para los fabricantes de aerogeneradores quienes reciben alrededor del 75% del costo de inversión de una central eoloeléctrica. Algunos fabricantes han estado tan ocupados produciendo y vendiendo máquinas que, hasta cierto punto, han postergado invertir en desarrollos de nueva generación o al

El volumen de negocio que genera la industria eoloeléctrica es sobresa-liente, principalmente para los fabricantes de aeroge-neradores quienes reciben alrededor del 75% del cos-to de inversión de una cen-tral eoloeléctrica.

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menos en dar soluciones plausibles y definitivas auna serie de problemas técnicos recurrentes que se han hecho evidentes con la aplicación masiva de la tecnología.Y es que en ese sentido, en el ámbitoglobal, la demanda ha venido superando a la oferta porque los ámbitos de aplicación de los aerogene-radores se han venido extendiendo rápidamente, a la vez que la carrera por desarrollar aerogeneradores cada vez más grandes sigue su curso.

Peroentonces,algunaslimitacionesodeficienciasque no han sido atendidas de manera adecuada se han ido quedando en los diseños de los nuevos

modelos, mientras que simultáneamente se han incluido innovaciones que en algunos casos han resultado exitosas, pero que en otros han ocasionado problemas mayores y pérdidas sustantivas. Si bien es cierto que la tecnología de aerogeneradores ha alcanzado grandes volúmenes de negocio, también es cierto que en muchos países lo ha hecho gracias a los incentivos y apoyos económicos de los gobiernos que han buscado, acertadamente, aprovechar la industria eoloeléctrica como nicho de oportunidad para impulsar el desa-rrollo económico y social.

Por tal motivo se busca que la tecnología eoloeléctrica alcance su verda-deramadurez, es decir, que financieramente se pueda valer por símisma,sin necesidad de apoyos o concesiones por parte de los gobiernos. De hecho, eso es un proceso continuo de largo plazo a la vez que cíclico, ya que por una parte la tecnología va mejorando, pero por otra, las necesi-dades o exigencias de su desempeño se van incrementando. Por ejemplo, el caso de la implantación de mayores requisitos de interconexión al sistema eléctrico para lograr mayores factores de penetración y mayor contribución a la satisfacción de la demanda de energía eléctrica de un país, o bien, el desarrollo eólico en el mar (offshore). Así, usualmente, cuando la tecnología alcanzaoestáapuntodealcanzarsumadurezfinancieraparaundetermi-nado nicho de oportunidad, surgen nuevos nichos que presentan mayores retos o exigencias.

Retos de la tecnología actual

En el ámbito internacional (ENE 2013-2017) se han identificado lassiguientes necesidades genéricas para superar limitaciones, deficiencias ohuecos de la tecnología actual de aerogeneradores:

Incrementar la confiabilidad de los aerogeneradores y centrales eólicas, minimizando la ocurrencia, la frecuencia y la magnitud de las fallas.

Incrementar la disponibilidad de los aerogeneradores y centrales eólicas, minimizando plazos y tiempos de reparación.

Reducir costos de operación y mantenimiento de aerogeneradores y centrales eólicas.

Lograr la interconexión amigable con el sistema eléctrico a costos compe-titivosybajocondicionesconfiables,paracumplircabalmentecon“códigosde red” estrictos.

Alcanzar de manera efectiva su vida útil de diseño, bajo condiciones de operación donde realmente se experimenten todos o la gran mayoría de los casosdecargaparalasquefuerondiseñadosycertificados.

En este sentido, la gran mayoría de los fabricantes de aerogeneradores buscan lograr equilibrio competitivo, de tal forma que las mejoras incrementales en los cinco propósitos de la lista anterior, no hagan que el producto pierda competitividad (en cuanto a percepción se refiere) en un mercado donde todavía hay muchos compradores que aún no tienen claro qué es lo que les

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conviene adquirir. Las tendencias que tiene que ver con la diseminación y evolución de la tecnología son:

Expandir los ámbitos de aplicación (v.g., aplicaciones en regímenes de viento bajos, lugares con temperaturas extremas, mar adentro, sitios con riesgos de huracán o sismo, aplicaciones en regímenes de viento muy altos.

Lograr economía de escala. Actualmente ya se comercializan aerogenera-doresde3MWyestánenpruebasprototiposde4a7MW.Estánendesa-rrollomáquinasde10y15MW.

Introducir al mercado innovaciones incrementales o radicales (v.g. sistemas de transmisión continuamente variables, sistemas de control inteli-gente, sistemas de monitoreo avanzados para prevención de falla, etc.).

De acuerdo con las ocho necesidades básicas que se han mencionado, las tendencias de desarrollo pueden ir desde proyectos de alcance específico yriesgo limitado, hasta proyectos de gran alcance y alto riesgo.

Para el primer caso se podría tomar como ejemplo un proyecto orientado a incrementar la confiabilidad y la vidaútil deunmodelo existente, redu-ciendo cargas dinámicas y la fatiga del tren de potencia; para el segundo podríamos tomar como ejemplo un proyecto orientado a desarrollar un aerogenerador de 10 MW con alto contenido de innovación. Así, mien-

tras algunos de los fabricantes más conservadores prefieren dar pasos firmes con cierta prudencia,otros están decidiendo correr de manera teme-raria. Lo que ha sucedido en algunas ocasiones ha hecho recordar la fábula de la tortuga y el conejo, aunque por otra parte es evidente que ir dema-siado lento o no hacer nada, siempre será la peor opción en materia de desarrollo tecnológico.

Conclusiones

En términos generales se puede decir que la tecno-logía eoloeléctrica ha alcanzado cierto grado de madurez, pero todavía hay mucho trabajo por hacer para lograr que ésta sea lo suficientementeconfiabley“amigablealared”entérminoseconó-micamente competitivos. Algunos modelos de aerogeneradores están más avanzados que otros en esos sentidos, pero sin lugar a duda, dentro de 30 años los modernos aerogeneradores de hoy se verán obsoletos y hasta cierto punto rudimentarios.

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MARCO ANTONIO BORJA DÍAZ[[email protected]]

IngenieroenComunicacionesyElectrónicaporlaUniversidaddeGuanajuatoen1978.De1979a 1980 trabajó como ingeniero de diseño en Sistemas y Componentes S. A. de C. V. Desde 1980 es investigador y Jefe de Proyectos en el Área de EnergíasNoConvencionales del Instituto deInvestigaciones Eléctricas. Acreditó el International Course on the Implementation of Wind Power, impartido por la Fundación Holandesa de Energía en Holanda. Realizó una estancia de adies-tramiento técnico en la Central Eólica Kahuku propiedad de la Hawaiian Electric Renewable SystemsInc.ObtuvoelDiplomadoenPromociónyComercializacióndeServiciosTecnológicospor el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Desde 1997, es Representante de México ante el Acuerdo para la Cooperación en la Investigación, Desarrollo y Diseminación de Sistemas de Generación Eoloeléctrica de la Agencia Internacional de la Energía. También fue líder del proyecto “Plan de Acción para Eliminar Barreras para el Desarrollo de la Generación Eoloeléctrica en México”, auspiciado por el Fondo para el Medio Ambiente Global, a través del ProgramadelasNacionesUnidasparaelDesarrollo.Autorprincipaldeloslibros“EstadodelArtey Tendencias de la Tecnología Eoloeléctrica” y “Primer Documento del Proyecto Eoloeléctrico del Corredor Eólico del Istmo de Tehuantepec”. Ha impartido cursos sobre generación eoloeléctrica en el ámbito nacional e internacional. Durante nueve años fue miembro del Sistema Nacional de Investigadores. Ha dirigido servicios de prueba de un prototipo de aerogenerador para la compañía Japonesa Komaihaltec, Inc. Fue miembro de la Red Iberoamericana de Generación Eólica y es miembro de la Red Iberoamericana “Microrredes con Generación Distribuida de Renovables”. Actualmente es Jefe del Proyecto del Centro Regional de Tecnología Eólica del IIE.

Referencias

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Boletín IIEabril-junio-2013Artículo técnico

Desarrollo de la Máquina Eólica Mexicana en el IIE: proyecto MEM

Raúl González Galarza1, José Manuel Franco Nava1, Francisco Antonio Carvajal Martínez1, Humberto Raúl Jiménez Grajales1, José Luis Silva Farías1, Raúl Garduño Ramírez1 e Ignacio Torres Contreras2

Abstract Currently, a variety of new concepts and different configurations of a rotor aerodynamics has been explored in order to improve, simplify or increase capacity utilization of wind energy. The technological development achieved in the last three decades has allowed to significantly increase this capacity, as well as the unit power on a large scale. This article presents an analysis of the 2011 world market supply of this technology and outlines the project development of the Mexican Wind Machine (MEM, Spanish acronym) by the Instituto de Investigaciones Eléctricas.

Introducción

Laconfiguracióntípicaparaelrotoraerodinámicodeunaerogeneradores lade eje horizontal de baja solidez, la cual provee al rotor características idóneas para su aplicación en aerogeneradores. Ello a pesar de que a la fecha se han exploradounsinnúmerodenuevosconceptosydiferentesconfiguracionesdelrotor aerodinámico para mejorar, simplificar o incrementar la capacidad deaprovechamiento de la energía del viento.

1 Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE)2CentrodeTecnologíaAvanzada(CIATEQ)

La problemática asociada a la confiabilidad y dispo-nibilidad de los aeroge-neradores en una central eoloeléctrica depende en gran medida de la correc-ta selección de los aeroge-neradores para el sitio de aplicación.

Con relación a su capacidad unitaria, el desarrollo tecnológico alcanzado en los últimos 30 años en cuanto a normatividad, materiales, nuevas técnicas y métodos de construcción, técnicas de control cadavezmás sofisticadasy sobretodoaldesarrolloalcanzado en electrónica de potencia han permitido incrementar significativamente esta capacidad ypasardepotenciasunitariasdelordende100kWcon diámetros de rotor de 20 metros a principios delos80,apotenciasdelordende5MWydiáme-tros de rotor hasta 120 metros.

A la par de lo anterior, la productividad de los rotores aerodinámicos se ha incrementado entre un 30%y40%porelusodeperfilesaerodinámicoscadavezmáseficientesyeficaces,encombinacióncon el uso de técnicas constructivas y de control delapotenciaquepermitenoptimizarlaeficienciaaerodinámica e incrementar su productividad, al operar éstos dentro de una más amplia gama de velocidades de viento.

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Artículo técnico

Conrelacióna laconfiguracióndelaerogeneradorpara maximizar la transformación de la energía cinética del viento en energía eléctrica, existe un importante número de variantes relacionadas tanto con la velocidad angular del rotor aerodinámico (velocidad constante o variable), el tipo de gene-rador eléctrico y el método de control de potencia utilizado, ya sea por desprendimiento de flujo (stall), o mediante el cambio del ángulo de paso del aspa (pitch).Otravertienteenlaconfiguracióndelaerogenerador radica en la utilización o no de una caja de engranes (multiplicadora) para acoplar la baja velocidad angular del rotor aerodinámico, con la velocidad de operación del generador eléctrico. Cuando se utilizan generadores eléctricos síncronos o asíncronos de alta velocidad (1800 rpm), serequiere necesariamente de una caja multiplicadora en el tren de potencia, para acoplar el rotor aero-dinámico con el generador eléctrico. Para evitar el uso de una caja de engranes en el tren de potencia, se requiere utilizar generadores síncronos multi-polo (de diseño especial) que operan a baja velo-cidad angular. Los generadores eléctricos que se utilizan en aerogeneradores pueden ser tanto del tipo síncrono (eléctricamente excitados o de imanes permanentes), como del tipo asíncrono o de induc-ción (tipo jaula de ardilla o de rotor devanado).

Con el propósito de establecer un marco de referencia representativo del estado del arte que guarda la tecnología de aerogeneradores, se presenta un análisis de la oferta 2011 del mercado mundial, considerando tanto su tecno-logíaconstructiva,comosuconfiguraciónyclasede acuerdo con la norma IEC-61400. De los 143 modelos ofertados, el 61% utiliza generador eléc-trico asíncrono, en combinación con una caja de engranes. De estos 88 modelos, el 80% tiene un generador de inducción doblemente alimen-tado (Doubly-Fed Induction Generators-DFIG) con convertidor electrónico de potencia a escala parcial. El 20 % restante está habilitado con un generador de inducción tipo jaula de ardilla, de los cuales el 45% se ofrece para conexión directa a la red y el 55% a través de un convertidor electró-nico de potencia a escala completa.

En cuanto a los 55 modelos que se ofertaron con generador síncrono y que representan el 39% del total, 75% son del tipo imanes permanentes y 25% son del tipo eléctricamente excitados, todos ellos habilitados con convertidor electrónico de potencia

a escala completa para su conexión a la red. De este grupo, el 65% cuenta con caja de engranes y solamente el 35% no, por estar habilitado con un generador eléctrico multipolo de baja velocidad.

En relación con el régimen de viento para el cual los aerogeneradores fueron diseñados, la mitad (50%) de estos modelos son adecuados para operar en regímenes de viento moderado (<8.5 m/s de promedio anual), en tanto que el 25% está diseñado para operar en regímenes de viento alto (<10 m/s), y otro 25% para operar con vientos de baja intensidad (<7.5 m/s).

Respecto a la interconexión de las centrales eoloeléctricas al sistema eléctrico (el conjunto de aerogeneradores de un parque), el cumplimiento de las regu-laciones en materia de protección eléctrica, transmisión de datos, así como control y calidad de la energía en el punto de interconexión, impuestas por el organismo gestor de la operación del sistema son regulaciones cada vez más estrictas y determinantes para el otorgamiento del permiso de interconexión (código de red de la Comisión Federal de Electricidad-CFE).

Laproblemáticaasociadaalaconfiabilidadydisponibilidaddelosaerogenera-dores en una central eoloeléctrica depende en gran medida de la correcta selec-cióndelosaerogeneradores(claseI,II,oIII)paraelsitiodeaplicación.Unaselección inadecuada impacta directamente en el costo de operación y mante-nimiento(O&M),reducelavidaútildelsistemaeincrementaelcostodelaunidaddeenergíaproducida($/kWh),sobretodosilasrutinasdeinspecciónymantenimiento originales se mantienen sin cambio.

El objetivo en este proyecto es realizar el desarrollo tecnológico (diseño, cons-trucción y pruebas) de un prototipo de aerogenerador de 1.2MWe, ClaseIEC-1ª, orientado a una producción comercial y a maximizar la utilización de las capacidades tecnológicas e infraestructura de la industria nacional, así como consolidar las capacidades nacionales para el desarrollo tecnológico de aero-generadores y para el análisis de la problemática asociada con su operación y mantenimiento.

Mediante este proyecto se busca generar el principal elemento en la cadena de valor del desarrollo eólico nacional: las unidades generadoras. El proyecto abarca el diseño, fabricación, instalación e instrumentación del prototipo en el Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE) para la ejecución de pruebas en viento libre. La capacidad tecnológica e infraestructura de la planta indus-trial en México constituyó un factor determinante en la conceptualización de esteaerogeneradorylaconfiguraciónmodularadoptadaeneldiseñopermitióobtener la versatilidad demandada por el prototipo para esta primera etapa. Este conceptomodular ha demostrado en el tiempo su eficacia tanto en eltemadecosto,comoeneldeconfiabilidadydisponibilidaddelequipo,y lomás destacable es que es la opción más ventajosa cuando se busca integrar el aerogenerador a la planta industrial existente de un país.

El equipo de trabajo integrado en el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) para desarrollar este proyecto en su primera etapa, contó con la partici-pación de especialistas de las áreas de energías no convencionales, turboma-quinaria, transmisiones mecánicas, engranes, instrumentación y control, elec-trónica, equipos eléctricos, y transmisión y distribución de energía eléctrica,

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entre otras disciplinas. Este proyecto recibió en 2009, el apoyo económico del Fondo SENER-CONACYT para la Sustentabilidad Energética (FSE). Parasu aplicación a dicho fondo, el proyecto se dividió en tres etapas con duración de 18 meses cada una, a saber: 1. Diseño y especificación de componentes,2. Adquisición, fabricación de componentes y ensamble de subsistemas, y3. Ensamble, instalación y pruebas en viento libre del prototipo. El liderazgodel proyecto lo tiene asignado el IIE, trabajando en asociación con el Centro de TecnologíaAvanzada(CIATEQA.C.)ylaempresamexicanaRuhrpumpen,enel marco de un convenio de colaboración.

El concepto de diseño utilizado en la Máquina Eólica Mexicana (MEM) es el concepto danés: un rotor aerodinámico de eje horizontal de tres aspas, de baja solidez, de velocidad variable, con control de potencia por cambio de ángulo de paso (pitch), independiente en cada aspa y con respaldo de bate-rías, provisto de una unidad de control y supervisión basada en microprocesa-dores.Unsistemadeorientaciónactivobasadoenmotorreductores,discodefricción y mordazas hidráulicas activas y pasivas, un sistema de paro basado en un freno principal de tipo aerodinámico (posición bandera de las aspas) y un secundario mediante disco de freno y mordazas hidráulicas a la salida de la caja de engranes, provisto además de un sistema manual para inmovilizar el rotor durante el mantenimiento de éste, todo ello montado sobre un chasis unitario

yunatorretubulardeacero(figura1).Elgeneradorse conecta a la red eléctrica en media tensión a través de un convertidor electrónico de potencia de escala completa (CA-CD-CA) y un transformador elevador, con lo que se obtiene una conexión suave y controlada. La combinación generador-conver-tidor provee capacidad para aportar energía a la red con un factor de potencia adelantado o atrasado dentro de un amplio rango, así como para soportar huecos de tensión a valor cero por transitorios en la red (ZVTR), y cumplir con los requisitos de códigos de red directamente relacionados con la calidad de la energía (IEC-61400-21).

Características principales del aerogenerador

Potencia nominal: 1,2 MW; diámetro del rotor:60 m;alturade instalación:60m.;clase IEC:IA;velocidad de inicio: 4 m/s; velocidad de salida: 25 m/s.Lafigura2muestralacurvadepotenciaanivel del mar.

Para su ejecución, el proyecto se subdividió con base en áreas de especialidad. El IIE fue la institu-ción responsable de desarrollar los criterios, estudios y análisis conducentes para soportar los diseños, así comolaespecificacióndecadaunodelosdiferentessubsistemas y elementos que integran el aerogene-rador (filosofía de control, modos de operación ycasos de carga de diseño, entre otros), todo ello con base en la normatividad vigente al igual que las meto-dologías y herramientas internacionales aplicables. Asimismo fue el responsable del establecimiento de los requerimientos de operación, mantenimiento y seguridad del aerogenerador, y del análisis de proce-dimientos y metodologías para la evaluación del diseño de aerogeneradores. El Centro de Tecno-logíaAvanzada (CIATEQA.C.) fue el responsabledel diseño de la caja de engranes del aerogenerador, incluyendo sus periféricos. La empresa tractora Ruhr-pumpen, integrante de este consorcio, será la respon-sable de la ingeniería de manufactura, de la fabrica-ción y ensamble en planta del aerogenerador, todas éstas actividades previstas para la segunda etapa del proyecto.

A la fecha se tiene concluida la etapa de diseño y especificación de componentes del aerogenerador,las siguientes actividades a desarrollar corresponden a la etapa de adquisición, construcción y ensamble

Figura 1. El concepto de diseño de la MEM es el concepto danés.

Figura 2. Curva de potencia a nivel del mar.

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Artículo técnico

El diseño del tren de potencia de la MEM consta de cuatro secciones, integradas por el rotor aerodinámico, la flecha de baja velocidad con su soporte, la caja de engranes con sus soportes y el generador eléctrico. El diseño del rotor aerodi-námicoincluyóeldiseñodelcuboy laespecificacióndelsistemadecambiodeángulo de paso (pitch) y de las aspas. El cubo es el elemento donde se conectan las aspas del rotor y se lleva a cabo el acoplamiento de éste con la flecha de baja velocidad. El acoplamiento de las aspas al cubo se realiza a través del sistema de cambio de ángulo de paso, el cual es operado, en este caso, por motores eléctricos. El diseño de los componentes mecánicos del aerogenerador está determinado por los resultados del análisis del comportamiento aeroelástico del aerogenerador en su conjunto, es decir, el estudio de los efectos de las fuerzas de excitación debidas a la acción del viento sobre el aerogenerador, en combinación con la respuesta y resistencia de la estructura. La respuesta y resistencia de la estructura son función tanto de las características de viento, como de las propiedades geométricas y físicas de los componentes individuales, así como de la respuesta del sistema eléctrico y electrónico de potencia asociado al diseño del aerogenerador.

Con base en lo anterior, el diseño de componentes como el cubo, la flecha de baja velocidad, el soporte de la flecha de baja velocidad y la selección de rodamientos, incluyó el análisis de los resultados de los cálculos aeroelásticos, obtenidos con el paquete de cómputo especializado PHATAS (Program for Horizontal Axis wind Turbine Analysis and Simulation), desarrollado por The Energy Research Centre of the Netherlands (ECN). Para la generación de todos los modelos sólidos y los planos de diseño de estos componentes, se utilizó el paquete de cómputo especializado SolidWorks.

Asimismo se utilizaron herramientas numérico-computacionales para el desa-rrollo de los cálculos fluido-dinámicos y para el análisis estructural y de fatiga, dependiendo del tipo de componente y del análisis requerido: para el análisis que implicó la dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés) se utilizó el paquete de cómputo especializado Ansys-Fluent, que implanta el método devolumenfinito;paralosanálisisestructuralesseutilizóelpaquetedecómputoespecializado Ansys-Mechanical, que implanta el método de elemento finito, ypara los análisis de fatiga se utilizó el paquete de cómputo especializado nCode.

El diseño de la torre, del chasis, de los soportes de las zapatas de frenado del sistema de orientación y de las cubiertas de la góndola, requirió del análisis de los resultados de los cálculos aeroelásticos y la utilización de los paquetes de cómputo especializados para el análisis estructural. La torre, en este caso, está constituida por tres secciones tubulares de acero, bridadas, dos rectas y una cónica. El convertidor de frecuencia, los tableros eléctricos y el de control se encuentran ubicados en la primera sección de la torre.

El proceso de selección del conjunto rodamiento y corona dentada para el sistema de cambio de ángulo de paso (pitch) y el del sistema de orientación (yaw), también requirió de los resultados de las simulaciones de los cálculos aeroelásticos. El sistema de cambio de ángulo de paso y el de orientación en el aerogenerador están accionados por motorreductores, uno por aspa para el caso del ángulo de paso y cuatro unidades para el de orientación.

Tanto el diseño global del aerogenerador, como la selección de componentes mecánicos en el mismo cumplen con la normatividad aplicable y consideran

de subsistemas en planta y las correspondientes al ensamble, instalación, instrumentación y pruebas en viento libre del aerogenerador prototipo en las instalaciones del Centro Regional de Tecnología Eólica(CERTE),enlaetapafinaldelproyecto.

Rotor, góndola, torre y sistemas auxiliares

El tren de potencia de un aerogenerador se conforma por una serie de componentes mecánicos y eléctricos que transforman la potencia mecánica en el cubo del rotor a potencia eléctrica. En los aero-generadores de eje horizontal, estos componentes se encuentranen lapartesuperiorde la torre(figuras3 y 4). La conexión entre el rotor aerodinámico y la flecha de baja velocidad es uno de los ensambles más críticos en un aerogenerador de eje horizontal, debido a su función compuesta, es decir, satisfacer tanto una función estructural como mecánica. Las cargas de empuje, laterales y de torque, así como el peso del rotor generan cargas de fatiga sobre este ensamble. Además de los componentes mecánicos como la flecha de baja velocidad, rodamientos, caja de engranes y acoplamientos, el tren de potencia incluye los sistemas de lubricación y de seguridad necesariosparauna transmisión segura y confiablede la potencia, así como equipo eléctrico y electró-nico para la transferencia de datos de comporta-miento y para el control de la máquina.

Figura 3. Tren de potencia conformado por com-ponentes mecánicos y eléctricos.

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Figura 4. Los componentes mecánicos y eléctricos se encuentran en la parte superior de la torre.

losresultadosdelasimulacióndetodosloscasosdecargadediseño,definidosen la norma internacional IEC 61400.

Producto de la experiencia adquirida durante el proceso de diseño de la MEM, se desarrollaron y consolidaron capacidades intelectuales y tecnológicas que permiten ofrecer servicios especializados, como modelado y simulación para el análisis aeroelástico de aerogeneradores; diseño mecánico y análisis estructural de componentes mecánicos, incluyendo planos de fabricación; aplicación de herramientas avanzadas de diseño (CFD, FEM) en el análisis y optimización de componentes mecánicos; evaluación de integridad estructural y vida útil de componentes mecánicos; análisis dinámico de rotores de aerogeneradores; diagnóstico de fallas en rodamientos de la flecha principal de aerogeneradores; análisis de aceite de lubricación para el diagnóstico de fallas; cursos de capaci-tación de mantenimiento predictivo, mantenimiento basado en la condición, el análisis de vibraciones y el monitoreo de rotores de aerogeneradores; diseño de estrategias de monitoreo y diagnóstico del comportamiento dinámico de rotores de aerogeneradores; diseño y desarrollo de sistemas de monitoreo de la condición de aerogeneradores; servicio de monitoreo y diagnóstico dinámico de aerogeneradores, y especificaciónde equipos, sensores, actuadores, e inte-gración de sistemas de monitoreo del comportamiento de aerogeneradores.

Caja de engranes

Enaerogeneradoresmayoresque1MWseutilizancajas incrementadorasdediferentes configuraciones y etapas. Las hay de dos o tres etapas en arreglosde engranes planetarios y de ejes paralelos. Los planetarios pueden ser simples o compuestos, con engranes rectos o helicoidales. Asimismo, existen arreglos novedosos desarrollados con cajas de transmisión CVT (Continuously Variable Transmission) hidrostáticas o hidrodinámicas. Las transmisiones CVT tienen el objetivo de controlar la velocidad y torque en el eje de entrada del gene-rador. Es importante destacar que conforme se utilizan más etapas planetarias en la conformación de una caja de engranes, el peso y su costo relativo dismi-

nuyen, siendo la opción de tres etapas planetarias una de las mejores opciones para potencias supe-riores a 2.5 MW. Estudios independientes reali-zados sobre este tópico muestran que los mejores arreglos dentro de las razones de multiplicación de 1:60 hasta 1:80 son aquéllos que incluyen etapas tipo planetario. La opción que combina etapas planetarias con ejes paralelos es una de las más utilizadas actualmente en aerogeneradores de potencia. La configuración de dos etapas planeta-rias y una de ejes paralelos (PPH) tiene ventajas de costo, volumen y peso con respecto a la configu-ración de una etapa planetaria y dos etapas de ejes paralelos (PHH), sin embargo, este último arreglo esmuchomásrobustoyconfiable,ysuutilizaciónen reconocidos modelos comerciales de aerogenera-dores es muy popular, por lo que para capacidades dealrededorde1.2MW,losprincipalesfabricantesde cajas multiplicadoras en el mundo solo manejan esta configuración (PHH). En aerogeneradoresde mayor potencia existen tendencias distintas al concepto modular, en las cuales la carcasa de la caja multiplicadora es usada como bastidor para proporcionar una mejor distribución de cargas y aumentar la rigidez estructural del tren de potencia.

Respecto al diseño conceptual utilizado en la MEM, los factores de peso, volumen, costo y popu-laridad entre los fabricantes de la alternativa PHH fueron decisivos para su elección. El concepto utili-zado en el diseño de la caja incorpora una etapa de engranes planetarios helicoidales y dos etapas de ejes paralelos, así como la razón de incremento total de 1:76. A partir de este concepto se realizó la ingeniería básica de la caja multiplicadora. Todos los elementos fueron calculados con base encriteriosde fatigayporesfuerzoextremo(ISO81400-4), considerando las diferentes opciones de materiales y tecnologías de origen nacional, según disponibilidad y capacidad de proveedores. Como resultado se obtuvo un diseño detallado de todos y cada uno de los componentes que integran la caja multiplicadora y se elaboró la especificacióndel conjunto de sus sistemas auxiliares (lubrica-ción, enfriamiento del aceite, soportes de montaje, acoplamiento con la flecha de baja velocidad, y freno de disco y mordazas hidráulicas en la flecha de alta velocidad). Los resultados de este diseño se encuentran integrados en el modelo 3D mostrado (figura5).Elpesode lacaja incrementadorade laMEM se encuentra en la parte alta del rango para estas potencias y relaciones de transmisión.

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Artículo técnico

IIE, incorporando requerimientos particulares de la operación del aerogene-rador. Adicionalmente se integró el paquete de ingeniería que incluye la espe-cificacióntécnica,ladocumentaciónparalainstalaciónypruebasdepuestaenservicio y operación. El desarrollo y consolidación de capacidades del grupo de especialistas en generadores eléctricos para aplicación en turbinas eólicas dentro del proyecto de la MEM, permite al IIE proporcionar apoyo técnico paralaelaboraciónyrevisióndeespecificacionestécnicas,asícomolaselecciónde generadores para aplicación en aerogeneradores, al igual que la supervisión de pruebas en fábrica, de instalación, puesta en servicio, operación y manteni-miento, y la capacitación del personal involucrado en estas actividades.

Convertidor electrónico de frecuencia

La contribución de la electrónica de potencia al avance tecnológico en el mundo moderno ha sido estratégica. El sector eoloeléctrico es uno de los nichosmásdesafiantesdeestadisciplina,debidoalavariabilidaddelviento,laconfiabilidaddemandadaparaelequipoylosrequisitoscadavezmásestrictosen cuanto a la calidad de la energía que el aerogenerador debe entregar a la red eléctrica en el punto de interconexión (PI). En este escenario, la selección y especificacióndelconvertidorelectrónicodepotencia implicaunreto tecno-lógico importante, dado que no solamente se requiere de un convertidor de frecuenciavariableafija,sinoqueestotienequehacersedemaneraconfiableyeficiente,antevariacionesnormalesyanormalesenlaredeléctrica,sinafectarla calidad de la energía en el punto de interconexión. Para cubrir los reque-rimientos del diseño de la MEM se utiliza un convertidor de frecuencia de potencia completa (back-to-back)basadoenunrectificadorcontroladodelladodelgeneradoreléctricoyuninversordepotenciadelladodelared.Laespecifi-cacióndelconvertidoreselresultadodelaidentificaciónyanálisisdeventajasy desventajas técnico-económicas de diferentes productos en el mercado, sobre todo en el tema del código de red vigente y en especial la respuesta del conver-tidorantehuecosdetensióndelladodelaredeléctrica.Laespecificacióndesa-rrollada cubre la condición más estricta en cuanto a huecos de tensión (Zero Voltage Ride Through, ZVRT) y engloba las principales características y pará-metros técnicos de las variables que garantizan la correcta operación y permiten

Elprocesode certificaciónde la componente y lavalidación en campo de ésta constituye el principal reto tecnológico. Para estas etapas no solamente se hace necesaria la disponibilidad de prototipos de prueba, sino la disponibilidad de equipo de labo-ratorio específicopara simular la operaciónde losdistintos componentes bajo criterios particulares de la norma IEC 61400-22. El envío de un proto-tipo de la caja de engranes a laboratorios especiali-zados para la ejecución de pruebas es una opción que deberá ser evaluada en su momento. La conso-lidación de conocimientos desarrollados durante el diseño de este componente crítico del aeroge-nerador habilita al equipo de especialistas involu-crados, para ofrecer servicios de análisis integral, consultorías, adaptación de componentes y mante-nimiento de las transmisiones instaladas en los parques eólicos de México.

Generador eléctrico

Desde el inicio del desarrollo de los modernos aerogeneradores, diferentes esquemas de gene-ración eléctrica se han implementado y puesto a prueba. Actualmente, a nivel mundial se utilizan dos tipos de generadores eléctricos: el tradicional generador asíncrono, del tipo jaula de ardilla o tipo rotor devanado (doble alimentado) y el generador síncrono del tipo rotor devanado o tipo imanes permanentes.

Para la selección del generador eléctrico, el grupo de especialistas realizó un análisis detallado de las ventajas y desventajas de los diferentes esquemas de generación y el tipo de generador utilizado en cada uno de ellos. La selección del generador para la MEM se basó en criterios tales como: a) Carac-terísticas operacionales conocidas, tanto en estado estable como transitorio, en aplicaciones conven-cionales y extrapolable a su aplicación en aeroge-neradores;b) Diseñosinpropietarioindustrialyc)Factibilidad de fabricación nacional. Como resul-tado de este análisis se seleccionó un generador tipo síncrono de 1500 kW de capacidad, rotortipo polos salientes, excitación tipo sin escobillas, velocidad de 1800 rpm y tensión de generación de 690 volts. Debido a las características particulares de operación de este generador (frecuencia variable y tensión de generación constante) se realizó el diseño y el análisis electromagnético, utilizando programas computacionales desarrollados por el

Figura 5. Diseño de los componentes que integran la caja multiplicadora.

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supervisar ésta con propósitos de control. La figura 6muestra el diagrama abloques del convertidor.

Protecciones eléctricas

Las fallas de los componentes eléctricos representan una porción impor-tante en las salidas de los aerogeneradores. Las funciones de protección en los circuitos eléctricos se utilizan con el objeto de limitar el daño a los principales componentes de un aerogenerador. Estas funciones responden ante condi-ciones anormales como cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones. Los prin-cipales componentes que se protegen son el generador eléctrico, el cable de bajada y el transformador, así como la electrónica de potencia asociada. Las funciones de protección comúnmente encontradas en los aerogeneradores son lasdesobreybajatensión(59y27),sobreybajafrecuencia(81O/U)ysobre-corrientes debidas a fallas de fase a tierra y entre fases. El esquema de protec-ción se completa con la inclusión de fusibles limitadores de corriente en el lado primariodeltransformador.Lafigura7muestralaconfiguracióndelcircuitoeléctrico de potencia en la MEM.

Las funciones de protección utilizadas en la MEM son: sobre y baja tensión, sobre y baja frecuencia, y de desbalance o contenido de secuencia negativa (46). Para el lado transformador del convertidor de frecuencia, estas funciones están contenidas en el interruptor de potencia de baja tensión, además de las protecciones contra fallas entre fases y a tierra (50/51, 50/51N). Para el lado generador del convertidor de frecuencia, estas funciones las ofrece el propio

convertidor. Para el primario del transformador se utiliza un relevador autoalimentado que incluye las funciones de protección contra sobrecorrientes, debidas a fallas entre fases y de fase a tierra (50/51, 50/51N). Este esquema ofrece mayor flexibilidad para la protección del transformador y elimina la problemática asociada para la protección ante bajas corrientes de falla. El esquema incorpora además, una función de protección contra sobrecorriente a la salida del generador.

Sistema de control

Ladisponibilidad,confiabilidad,eficienciaydura-bilidad de un aerogenerador, así como su seguridad y autonomía de operación, dependen de la funcio-nalidad y de las cualidades del sistema de control, el cual es el cerebro del aerogenerador y en su diseño se debe tomar en cuenta que se trata de una turbomáquina con grandes estructuras flexibles y fuertes acoplamientos entre sus subsistemas mecá-nico, eléctrico y electrónico, que debe trabajar bajo condiciones ambientales variables, que estará sujeta a variaciones importantes y aleatorias de la carga que alimenta. Por estas razones es que se requiere desarrollar sistemas de control de alto desem-peño, incorporando la tecnología más efectiva en costo y los métodos de control más avanzados que resuelvan la problemática de maniobrabilidad, esta-bilidad y desempeño.

Físicamente, el sistema de control está integrado con tecnología de punta. El equipo principal es un Programmable Logic Controller (PLC) de última generación, con tarjetas de procesamiento redun-dantes y unidades de E/S remotas. Para evitar la interferencia electromagnética, los enlaces de comunicación entre la góndola y la base del aero-

Figura 7. Configuración del circuito eléctrico de potencia.

Figura 6. Diagrama a bloques del convertidor.

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Artículo técnico

generador, y entre el aerogenerador y el cuarto de control, se hacen por fibra óptica. Se cuenta coninterfaces de operaciónmodulares y configurablesen el cuarto de control, en la base de la torre y en la góndola, que brindan acceso pleno y consistente a la información y los datos del aerogenerador, conforme al tipo de usuario. Los servomecanismos de posicionamiento de las aspas y de orientación de la góndola incorporan drivers electrónicos de última generación con motores eléctricos.

Funcionalmente, el control de la MEM está compuesto por un sistema de control secuencial (SCS) y un sistema de control regulatorio (SCR). El SCS se encarga básicamente de automatizar la operación del aerogenerador, recibe los comandos de operación, verifica el cumplimiento de permi-sivos y genera las acciones para llevar al aeroge-nerador a los diferentes estados de operación de manera autónoma, vigilando las situaciones de emergencia y las condiciones de seguridad. El SCS de la MEM considera los estados operativos: disponible, marcha, listo, generando y fuera de servicio que incluye paro, emergencia y manteni-miento. El SCR proporciona la funcionalidad para capturar la energía disponible en el viento, limitar las cargas mecánicas dinámicas, mitigar las cargas electromagnéticas transitorias y cumplir con los requerimientos del código de red en el punto de interconexión (PI). El SCR incluye los esquemas

de control retroalimentado de la turbina eólica, del generador eléctrico y del convertidor electrónico de potencia. El control de la turbina incluye: a) el control de orientación de la góndola que alinea el eje del rotor con la dirección del viento para aprovechar mejor la energía disponible en el viento y mini-mizar los esfuerzos en los componentes mecánicos y b) el control de posición de aspas que ajusta el ángulo de ataque, en función de la velocidad del viento para cambiar el par aerodinámico producido y regular la potencia generada por laturbina,lacualoperaavelocidadvariableyángulodepasofijoparaveloci-dades de viento por debajo de la velocidad nominal, para maximizar la captura de energía y a velocidad constante y ángulo de paso variable para velocidades de viento por arriba de la velocidad nominal. En esta región se tienen las estra-tegias de operación a potencia y a torque constantes. A torque constante se reducen los esfuerzos mecánicos de los componentes del tren de potencia, reduciendo el número de fallas y el mantenimiento.

Conclusiones

El mejoramiento del diseño del sistema de control debe tomar explícitamente en cuenta las no linealidades y el acoplamiento de los subsistemas mecánico, eléctrico y electrónico, los problemas de estabilidad y resonancia, la reducción de cargas y de esfuerzos mecánicos y electromagnéticos, los requerimientos de confiabilidadydisponibilidad,etc.

Adicionalmente, el creciente nivel de penetración de la energía eoloeléctrica en las redes eléctricas ha creado nuevos retos técnicos: respuesta a huecos de tensión, control de frecuencia y potencia activa, regulación de voltaje y potencia reac-tiva, entre otros. Esto ha resultado en una necesidad urgente de valorar el uso de métodos de control no lineal, técnicas adaptivas, metodologías robustas, leyes predictivas, control multivariable y control inteligente, entre otros.

RAúL GONZáLEZ GALARZA[[email protected]]

IngenieroMecánico Electricista por laUniversidad AutónomadeSanLuisPotosí(UASLP).Laboróenlaindustriametal-mecá-nica de 1977 a 1984. Es investigador en la Gerencia de Energías No Convencionales (GENC-IIE) donde dirige y colabora en proyectos vinculados con el desarrollo y aplicación de sistemas conversores de energía. Desde 1984 participa y dirige proyectos de desarrollo tecnológico en el área de energías renovables. Ha impartido numerosos cursos de actualización y diplomados, y ha publicado artículos técnicos y de difusión sobre el aprovecha-miento de la energía eólica y solar-fotovoltaica. Fue miembro del Sistema Nacional de Investigadores de México.

JOSÉ MANUEL FRANCO NAVA[[email protected]]

DoctorenFilosofíaporlaUniversidaddeCranfielden2004.MaestroenCienciasenIngenieríaMecánica y Diploma de Imperial College en el Imperial College of Science and Technology por la Universidad de Londres en 1994. Ingeniero Mecánico con especialidad en Energética por laEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en 1982. Desde 1983 se desempeña como investigador y Jefe de Proyecto en la Gerencia de Turbomaquinaria (GTM) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). Ha trabajado en diagnóstico de fallas, desarrollo de sistemas informáticos para mantenimiento predictivo, análisis dinámico, análisis modal (teórico y experimental), análisis de mecánica de fractura y evaluación de vidaútilaplicandotécnicasnumérico-computacionalescomoanálisisdeelementofinito,elementofrontera, dinámica de fluidos computacional en análisis del comportamiento, optimización de componentesdeturbomaquinaria,análisisdelprocesodecapturadeCO2 y análisis técnico econó-mico de proyectos de conversión de unidades de generación eléctrica (de combustóleo a carbón). Fue miembro del SNI y ha publicado 44 artículos en congresos nacionales e internacionales. Tiene tresderechosdeautorregistrados.Haimpartidocursosespecializadosapersonalde laComisiónFederaldeElectricidad(CFE),PetróleosMexicanos(PEMEX)yelInstitutoCostarricensedeElec-tricidad (ICE).

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FRANCISCO ANTONIO CARVAJAL MARTÍNEZ[[email protected]]

Maestro en Ciencias por la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en 2003. Diploma de especialidad en Generadores de induc-ciónporlaNottinghamTrentUniversityenInglaterraen1991.IngenieroIndustrialElectricistapor el Instituto Tecnológico de Veracruz en 1982. Ingresó como investigador al área de Máquinas Eléctricas Rotatorias de la Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1984. Su área de investigación incluye los aspectos relacionados al diseño, operación y diagnóstico de motores y generadores de gran capacidad. Ha dirigido proyectos para PetróleosMexicanos (PEMEX), laComisiónFederaldeElectricidad(CFE)yusuariosprivados.Actualmente realiza trabajos de investigación para el desarrollo e implementación de metodologías deanálisisymedicióndeeficienciasdegeneradoresoperandoenplantashidroeléctricas.HasidoprofesorenlaFacultaddeIngenieríadelaUniversidadNacionalAutónomadeMéxico(UNAM)yenlaFacultaddeCienciasQuímicaseIndustrialesdelaUniversidadAutónomadelEstadodeMorelos (UAEM). Es autor de varios artículos nacionales e internacionales dentro del área deMáquinas Eléctricas Rotatorias.

HUMBERTO RAúL JIMÉNEZ GRAJALES[[email protected]]

Maestro en Electrónica de Potencia en la línea de investiga-ción de calidad y ahorro de energía, por el Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET) en 2002. ObtuvoelPrimerlugarenelXVIConcursoNacionaldeCrea-tividad (2001) y en el Certamen Nacional de Ciencia y Tecno-logía (2002), con el proyecto de maestría: inversor fotovoltaico interconectado a red con funciones de filtro activo integradas.Ingeniero Electrónico por el Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas en 1998. Realización de Residencia Profe-sional en la Gerencia de Control e Instrumentación y partici-pación en el XIII Grupo de Adiestramiento en InvestigaciónTecnológica en la Gerencia de Equipos Eléctricos, ambas en el IIE en 1998. Ingresa a la Gerencia de Energías No Conven-cionales (GENC) del IIE en noviembre de 2001, donde se ha desempeñado como investigador en la línea de sistemas fotovol-taicos interconectados a la red eléctrica, en proyectos de investi-gación aplicada y desarrollo tecnológico. Ha impartido cursos de especialización en su área para sectores como el energético, académico y de la iniciativa privada. Desde 2011 es instructor del Centro de Posgrado del IIE. Asimismo ha dictado conferen-cias a nivel nacional y tiene publicaciones afines a su línea deinvestigación.

JOSÉ LUIS SILVA FARÍAS[[email protected]]

Maestro en Ingeniería con la especialidad de Sistemas Eléctricos de Potencia por el ITESM, campusMonterreyen1989.IngenieroElectricistaporlaUniversidadMichoacanadeSanNicolásde Hidalgo en 1982. Ingresó al IIE en 1985 a la Gerencia de Transmisión y Distribución. Sus principales tópicos de investigación son la protección contra sobre corrientes en sistemas eléctricos industriales,protecciónderedeseléctricasdealtoyextraaltovoltaje,yconfiabilidadenredesdedistribución.HadirigidoproyectosparaPetróleosMexicanos(PEMEX)ylaComisiónFederaldeElectricidad (CFE).

RAúL GARDUÑO RAMÍREZ[[email protected]]

Doctor en Filosofía por la Pennsylvania State University en el año 2000. Maestro en Ciencias por el CINVESTAV-IPN en 1987. Diplomado por el Laboratorio Nacional de Ingeniería Mecánica de Japón en 1986. Ingeniero Electricista por la ESIME-IPN en 1985. Desde 1987 trabaja en el Instituto de Investigaciones Eléctricas, en la Gerencia de Control, Electrónica y Comunica-ciones, en donde ha desarrollo sistemas de control para diversas unidades generadoras de energía eléctrica. Sus áreas de investi-gación incluyen sistemas inteligentes de control, optimización dinámica multiobjetivo y control digital de turbogeneradores. Es autor del libro: Fossil-Fuel Power Plant Control: An Intelligent Hybrid Approach, y coautor del libro Modelado Integrado de un Turbogenerador: Análisis, Simulación y Compensación. Ha publicado cinco capítulos de libros y más de ochenta artículos técnicos. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), del Sistema Estatal de Investigadores (SEI) de Morelos y Senior Member del IEEE.

De izquierda a derecha: Raúl González Galarza, Raúl Garduño Ramírez, José Luis Silva Farías, Humberto Raúl Jiménez Grajales y José Manuel Franco Nava.

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Comunidad IIE

Pedro Joaquín Coldwell, Secretario de Energía visita el IIE

El pasado 30 de abril de 2013, Pedro Joaquín Coldwell, titular de la Secre-taría de Energía (SENER) visitó, junto con una comitiva, las instalaciones del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en Cuernavaca, Morelos, con el objetivo de conocer sus líneas de desarrollo y sus capacidades tecnológicas, así como sus principales proyectos.

Julián Adame Miranda, Director Ejecutivo del Instituto, acompañado por Directores de División, Gerentes y miembros de la comunidad IIE les dio la bienvenida y destacó que el Instituto se apega a las directrices marcadas por la Estrategia Nacional de Energía, para de esta forma desarrollar proyectos de valor para el sector.

El Secretario de Energía hizo hincapié en que el IIE debe ser un semillero y un centro de investigaciones donde habrán de capacitarse los ingenieros del futuro, tanto a nivel local como nacional. Posteriormente llevaron a cabo una reunión de trabajo y un recorrido por diversos laboratorios.

Alfinalizar la reunión,elSecretarioafirmóque leparecíamuy interesante lalabor que se realiza en el Instituto y que se iba satisfecho con los resultados de su visita, exhortando al personal a seguir trabajando y aportando proyectos de valor al sector eléctrico y energético del país.

Personal de la Subdirección de Generación de la CFE visita el IIE

El pasado 20 de febrero de 2013, todo el personal de la Subdirección de Gene-racióndelaComisiónFederaldeElectricidad(CFE),tantodeoficinasnacio-nales como de las gerencias regionales se reunió con Directores, Gerentes y Jefes de Proyecto del IIE, para revisar iniciativas de proyectos candidatos a llevarse a cabo durante 2013.

Por parte de la CFE estuvieron presentes J. Manuel Mendoza Fuentes, Subdi-rector de Generación; Luis Gonzalo Murrieta Rivera, Coordinador de Genera-ción Termoeléctrica; José Manuel Fernández Dávila, Coordinador de Genera-ción Hidroeléctrica, acompañados por los Gerentes Regionales.

Durante la reunión, el IIE presentó las iniciativas para realizar proyectos en las áreas de equipos eléctricos, transmisión, distribución, análisis de redes, turbo-maquinaria, procesos térmicos, ingeniería civil, energía nuclear, geotermia, tecnologías de la información, sistemas avanzados de capacitación, simulación, gestión integral de procesos, control, electrónica y comunicaciones, y les dio un recorrido por algunos de sus laboratorios.

El personal de la CFE agradeció la hospitalidad del Instituto, comprometién-dose a fortalecer las relaciones de trabajo bilaterales para el desarrollo de los proyectos en el corto y mediano plazos.

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Boletín IIEabril-junio-2013Comunidad IIE

Personal de PEMEX visita el IIE

El pasado 19 de abril de 2013, una comitiva de la Subdirección de Servicios a Proyectos de Pemex Exploración y Producción, integrada por José Luis Gonzalez Díaz, Coordinador de Ingenierías Región Marina Noreste (RMNE) del Grupo Multidisciplinario de Ingeniería; Artemio Ruelas De Luna, Coordi-nadordeIngenieríadelproyectodedesarrolloTsimin-Xux;ÓscarRodríguezLamarque, del Grupo Multidisciplinario de Servicios a Distribución, Comer-cialización y OBM; Moisés León Dorantes, Superintendente de Optimiza-ción Aceite de la Gerencia de Transporte y Distribución de Hidrocarburos (GTDH), y Margarita Cadena Durán, Supervisora de Proyectos del Grupo Multidisciplinario de Ingeniería, visitaron el IIE para conocer sus capacidades tecnológicas y los proyectos que aquí se desarrollan.

Entre los temas abordados se habló sobre los sistemas mecánicos y eléctricos, así como las energías alternas y las tecnologías habilitadoras.

Dentro de los acuerdos se consideró ampliar los objetivos de los convenios futuros, para incluir temas en los que el Instituto puede apoyar a las diferentes áreas que atiende la Gerencia de Servicios de Apoyo a Proyectos de la Región Marina.

Interconexión de sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica

Atendiendo a una invitación de la Corporación de Desarrollo Tecnológico (CDT) de la Cámara Chilena de la Construcción (CCC), a principios de 2013, Jorge M. Huacuz Villamar, Gerente de Energías No Convencionales (GENC) del IIE dictó una conferencia sobre la experiencia mexicana en la implantación del esquema de medición neta para la interconexión de sistemas fotovoltaicos a la red eléctrica en el auditorio de ese organismo en Santiago de Chile.

Durante su intervención, Jorge Huacuz presentó las capacidades de la GENC-IIE, así como el papel que desempeñó el Instituto en el proceso de desarrollo e implementación del esquema de medición neta en México y mostró, por primera vez en público, el ProfeSol®, equipo desarrollado por investigadores de la GENC-IIE, como herramienta didáctica para la capaci-tación de técnicos en la instalación de sistemas fotovoltaicos conectados a red.

Como resultado de esta interacción, la Corporación de Desarrollo Tecnológico hizo patente su interés por establecer un vínculo formal con el Instituto y se planteó la posibilidad de que funcionarios de esa institución visiten el IIE para conocer las capacidades que puedan ser de utilidad para la industria chilena de la construcción.

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Comunidad IIE

IIE y CENER firman convenio marco de cooperación

Elpasado6demarzode2013sellevóacabolafirmadelconveniomarcodecooperación interinstitucional con el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) de España, en las instalaciones del Instituto de Investigaciones Eléc-tricas (IIE).

El propósito de dicho convenio es establecer la cooperación interinstitucional entre la fundación CENER y el IIE para el desarrollo de investigación y forma-cióncientíficaaplicada,difusióndeconocimientos,transferenciadetecnología,desarrollo profesional de personal, prestación de servicios, así como cualquier otraáreadeinterésmutuo,enelcampodelaenergíarenovableylaeficienciaenergética.

En la reunión, Julián Adame les dio la bienvenida y una breve introducción del quehacer del Instituto. Por su parte, José Javier Armendáriz, Director General de CENER, dio una exposición de los motivos para llevar a cabo el convenio de colaboración entre las dos Instituciones.

Parafinalizarconlareuniónambosdirectoresfirmaronelconveniomarcodecolaboración interinstitucional.

Asesoría Técnica para Mesoamérica y el Caribe

El IIE a través de su Gerencia de Energías No Convencionales (GENC) y medianteunconveniodecolaboraciónconelProgramadeNacionesUnidaspara Medio Ambiente (PNUMA), participa en las actividades del PortalRegional de Transferencia de Tecnología y Acción frente al Cambio Climático en América Latina y el Caribe (REGATTA, por sus siglas en inglés), como Centro Regional de Conocimiento y Tecnología, reconocido por PNUMApara brindar apoyo técnico a los países de Centroamérica y El Caribe que lo soliciten en el área de energías renovables.

Como parte de estas actividades y en colaboración con el Ministerio de Energía y Minas de Guatemala, la GENC proporcionó asistencia técnica en estepaísafinalesdelprimertrimestredelañoencurso,entemasdegeneracióneoloeléctrica conectada a la red, a las instituciones representantes del desarrollo del sector eoloeléctrico.

Como resultado de este apoyo se recopiló información de las barreras y oportu-nidades que existen en Guatemala para el desarrollo de las energías renovables y de manera más amplia de la energía eólica. Así, el IIE, con la colaboración del Ministerio de Energía y Minas de aquel país, elaborará una propuesta para movilizar fondos de iniciativasmultilaterales y bilaterales de financiamientodecambioclimáticoatravésdelPNUMAycontinuarábrindandoasistenciatécnica en energía eólica y sistemas fotovoltaicos a otros países de Centroamé-rica y el Caribe.

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Breves técnicas

Labiomasa sedefine como lamateriaorgánicadeorigen animalo vegetal quepuede transformarse a combustibles para generar energía eléctrica, mecánica y calorífica,medianteprocesos físicos,químicosybiológicos.Esun recurso reno-vable de energía proveniente de los residuos sólidos agrícolas, pecuarios, urbanos e industriales, aguas residuales de los mismos sectores y cultivos energéticos tradi-cionales que resultan de la producción de alimentos, así como los producidos por organismosmodificadosaúneninvestigación,paraelaprovechamientoderesiduoscon alto contenido de lignina y hemicelulosa de residuos agrícolas y forestales.

La contribución (2.5%) energética de la biomasa en nuestro país al balance nacional de energía, ha sido tradicionalmente aportada por la leña y el bagazo de caña, existiendo otras fuentes importantes todavía sin aprovechar, como los residuos forestales, aguas residuales, basura urbana y residuos agropecuarios. Existe una ley de promoción de los bioenergéticos, que otorga la posibilidad de producir biocombustibles como el bioetanol, a partir de cultivos alimenti-cios como el maíz y la caña de azúcar, siempre y cuando haya excedentes en la producciónde estos cultivos confines alimentarios.Lomismo sucede con losaceites vegetales, donde la producción históricamente, al igual que el maíz, es deficitaria.Enelcasodelacañadeazúcar,lospreciosdegarantíadelamismahacen inviable la producción de bioetanol en nuestro país.

En la administración federal 2006-2012 surgieron una serie de programas deri-vados de la propia ley de los bionergéticos, de la ley de energías renovables y de la ley de cambio climático, impulsando proyectos para producir combustibles a partir de cultivos no alimenticios como el de la Jatropha curcas y la higuerilla, y de tercera generación, como la producción de biodiesel a partir de organismos modificadoscomobacteriasymicroalgas.

En el sector pecuario se impulsó la producción de biogás en granjas porcícolas y cuencas lecheras; en el sector urbano a partir de la basura dispuesta en rellenos sanitarios, en tanto que en el sector transporte se impulsó y licitó a través de Petróleos Mexicanos (PEMEX), la sustitución en gasolinas del etanol comoaditivo en las zonas conurbadas de Guadalajara, Monterrey y el Distrito Federal. En este caso la licitación se declaró desierta por no existir capacidad de produc-ción de bioetanol en nuestro país.

En el caso de los rellenos sanitarios, los procesos de gestión se burocratizaron a tal grado, que de 186 sitios existentes solo se han consolidado tres proyectos para generar electricidad con el biogás de tales sitios. En tanto que en el sector

Conversión de biomasa a energía

José Luis Arvizu Fernández[[email protected]]

pecuario se tiene conocimiento que la producción de energía con el biogás generado en granjas y establos es del orden de 500 digestores, de los cuales la gene-ración de electricidad es marginal, y en general la información al respecto no es pública, de tal manera que se deben redoblar esfuerzos para impulsar el aprovechamiento de la biomasa para la generación de energía, partiendo de las experiencias citadas.

En la Unión Europea, la biomasa tiene cuatrofuentes importantes: los residuos forestales, los residuos sólidos urbanos, los biocombustibles y el biogás.

Los residuos forestales o biomasa sólida representa la mayor fuente de energía, alcanzando consumos de 78.8 millones de toneladas equivalentes de petróleo (MTEP) como energía primaria, de la cualsegeneran72.8TWheléctricosy64.9MTEPtérmicos; Alemania es el principal productor con 11.7 MTEP, seguida de Francia (9.2 toneladasequivalentes de petróleo-TEP), Suecia (8.1 TEP) y Finlandia (7.4 TEP), principalmente. En cuantoa electricidad, Alemania encabeza la lista con

Figura 1. Relleno sanitario de Bordo Poniente (2010).

71

Breves técnicas

11.5 TWh, seguida de Finlandia con 9.9 TWhy Suecia 9.6. Esta electricidad se produjo tanto en plantasdegeneracióndeelectricidadcon30.6TWh,comoenplantasdecogeneracióncon42.1 TWh.Seplanea un crecimiento para los años 2015 y 2020 de hasta116y155TWhrespectivamente.

Los residuos sólidos municipales son conside-rados como fuente de energía renovable mediante su incineración en los países de laUniónEuropea,de tal manera que en 2011 tuvieron una produc-ción de energía primaria de 8.2 MTEP y una gene-ración de electricidad de 18.2 TWh, proviniendo9.1 TWh de centrales térmicas de generación y9.08 TWh de plantas de cogeneración. El paíslíder en la generación esAlemania con4.75 TWh,siguiéndole Italia (2.1 TWH), Francia (2.2TWh),Holanda (2.0 TWh), Suecia (1.8 TWh), ReinoUnido (1.7 TWh),Dinamarca (0.9TWh), España(0.7 TWh), Bélgica (0.72 TWh) y Finlandia(0.3 TWh).Elpotencialparaelaño2020seestimadiez veces mayor a la capacidad existente en la actualidad.

Los biocombustibles son empleados como combus-tible para el transporte, siendo los componentes prin-cipales de este rubro el bioetanol y el biodiésel. En 2011 se consumieron 14 (MTEP), correspondiendo 3 millones al bioetanol y 11 millones al biodiésel principalmente. Se importaron 2.7 millones de TEP de biodiésel de Argentina e Indonesia. Se prevé un crecimiento del sector para 2015 y 2020 de 18 y 30 millones de TEP respectivamente. Los principales países productores y consumidores son Alemania, Francia,España,Italia,ReinoUnidoyPolonia.

El biogás generado por el proceso de digestión anae-robia en Europa tuvo una generación y consumo de 10 millones de TEP como energía primaria, que dieron lugar a la generaciónde35,856.4GWh,delos cuales el 60% corresponde a plantas de gene-ración eléctrica exclusivamente y el 40% restante a plantas de cogeneración. De los diez millones de TEP, el 31% se generó en rellenos sanitarios, el 12% en plantas de tratamiento de aguas residuales y el restante 57% en sistemas agropecuarios. En Alemania se genera el 54% de energía con biogás dentro de los paísesdelaUniónEuropea,conunacapacidadinsta-ladaen2011de2,904MW.Seesperaqueen2015y2020 la generación de electricidad con biogás llegue a50y65milGWhrespectivamente,queequivaleacasi el doble de lo generado en 2011.

Globalmente se observa que en los países hay diferentes grados de desarrollo de los biocombustibles: en los de primera generación existe un mercado hacia Europa,EstadosUnidosyJapón,mientrasquelosdesegundayterceragene-ración se encuentran en etapa de desarrollo, con vistas a su comercialización a mediano y largo plazo.

En países como Tailandia, que importa 30 mil millones de dólares anuales en petróleo, tiene muy consolidada la tecnología del biogás y bioetanol, tanto en el sector agropecuario como en el de residuos municipales.

Partiendo de la situación actual de los energéticos en general, donde el agota-miento de las reservas de hidrocarburos, la creciente demanda de combustibles para el transporte, el estancamiento en el crecimiento de la infraestructura de refinaciónysobretodolafamadelosproyectosdesarrolladosenBrasil,EstadosUnidos y Europa para la producción de biocombustibles, se creó el marcolegal en la materia en nuestro país, que a su vez ha dado origen a programas y proyectos derivados de la ley de promoción de los bioenergéticos.

En México existen grandes oportunidades, sin embargo, no se puede producir biocombustibles a partir de maíz o caña de azúcar, ni tampoco por cultivos de oleaginosas,yaquesomosdeficitarios,aunqueexistenopcionespararproducirlosa partir de microalgas y cultivos no tradicionales como la Jatropha curcas y la higuerilla, así como de los residuos lignocelulósicos, forestales y el biogás en el sector agropecuario, y de residuos sólidos municipales.

Comparando la situación nacional con la internacional, existen grandes opor-tunidades de generación de energía con biomasa en nuestro país en los sectores forestal, urbano y agropecuario, solamente es necesario revisar ymodificar lasleyes de bioenergéticos, energías renovables y cambio climático, tomando como referencia el interés nacional, donde la basura no se considera como fuente de energíarenovable,talycomosucedeenlaUniónEuropea.

Figura 2. Estado de las energías renovables en Europa.

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Breves técnicas

Energía minihidráulica

Ricardo Saldaña Flores [[email protected]]

Las centrales que generan electricidad aprovechando los cauces y caídas de agua sedenominancentraleshidroeléctricas.Aquéllasqueno rebasen los10 MWson consideradas como minihidroeléctricas.

En la figura 1 se muestra el proceso de generación eléctrica mediante unacentral minihidroeléctrica.

Existendosclasificacionesgeneralesdelascentralesminihidroeléctricas:

• Centralesafilodeagua,aguafluyenteodepaso• Centrales a pie de presa o embalse

Lascentralesafilodeaguanocuentanconun lugardealmacenamientodelagua, por lo que aprovechan la energía del flujo de agua “al momento”. Lo anterior da como resultado que este tipo de centrales generen más o menos electricidad,dependiendodeladisponibilidaddelcaudaldisponible.Lafigura2muestraelesquemadeunacentralminihidroeléctricaafilodeagua.

Las centrales a pie de embalse constan de un dique o presa, el cual permite almacenar el agua, siendo posible generar electricidad de manera práctica-mente constante, dependiendo de las características geográficas e hidroló-gicas del lugar donde se encuentre construida la central. Este tipo de centrales puedensatisfacerpicosdedemandaeléctrica.Lafigura3muestraelesquemade una central minihidroeléctrica a pie de presa.

Las minicentrales hidroeléctricas operan con el mismo principio que las centrales hidroeléctricas de gran tamaño. Dentro del conjunto de mecanismos capaces de aprovechar el potencial del agua se encuentra la turbina hidráulica.

Unaturbinahidráulicaesundispositivocapazdeconvertir laenergíaconte-nida en cauces a energía mecánica de rotación. Para la obtención de electri-cidad, la energía de rotación es transmitida a un generador eléctrico, el cual transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

Lasturbinashidráulicaspuedenserclasificadasdeacuerdoalamaneraenqueinteractúa el agua sobre ellas, en turbinas de acción o impulso y de reacción o sobrepresión.

Las turbinas de acción o impulso son aquéllas en las cuales el sentido de giro del rodete coincide con el de la proyección del chorro de agua, en el momento en que éste empuja el rodete. Dicho efecto resulta parecido al impulso de una corriente de aire sobre un velero. A este grupo pertenecen las turbinas Pelton y Banki.

En las turbinas de reacción o sobrepresión, el sentido de giro del rodete no coincide con el sentido de proyección del flujo de agua. En este tipo de turbinas se hace pasar el flujo del agua a través de palas fijas, cambiando éste de dirección,velocidad y presión, provocando una reacción en el rodete, haciendo posible que éste gire y produzca la

Figura 2. Esquema de una central minihidroeléctri-ca a filo de agua.

Figura 1. Proceso de generación eléctrica a través de una central minihidráulica.

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Breves técnicas

potencia para la cual fue diseñado. A este tipo de turbinas pertenecen las de hélice, Kaplan y Francis.

Con el fin de tener una idea de la aplicación delastecnologías,enlafigura4semuestrandistintastecnologías de aprovechamientos, en función de la caída de agua y el flujo de la misma.

Contrario a las centrales hidroléctricas de gran tamaño, las centrales minihidroléctricas tienen un

mínimo impacto ambiental y hacen posible la generación eléctrica en lugares apartados que no cuenten con servicio eléctrico. Este tipo de centrales también pueden ser interconectadas a redes de distribución, permitiendo de esta manera la generación distribuida.

En la actualidad, la tecnología de las centrales minihidroeléctricas está amplia-mente desarrollada a nivel mundial. En virtud de que este tipo de centrales se diseñan en función de las necesidades a satisfacer y de las condiciones del sitio de instalación, solo es factible estandarizar determinadas partes, siendo necesario diseñar, construir e implementar el resto del equipo según los reque-rimientos de un proyecto determinado.

ConbaseendatospublicadosporlasNacionesUnidas,elpotencialmundialdemicro,miniopequeñas centrales en2005erade alrededorde76GWyelpotencialexplotadodecercade48GW(63%).ParaelcasodeMéxicoseestimaunpotencialminihidráulicode3,453MW,conuntotalde252sitiosexplotablesconunapotenciapromedioporcentralde13.7MW.

Gran parte del esfuerzo actual en el desarrollo de la tecnología minihidráu-licasehaenfocadoenlamejoradelcosto-beneficio.Acontinuaciónseanotanalgunos puntos clave en este sentido:

• Normalización más que diseño de sistemas para cada sitio, contando con tamaños estándar de turbinas, compartiendo componentes siempre que sea posible.

• Evitar en gran medida los costos de construcción civil a través de la utili-zación de obras civiles ya existentes en los emplazamientos.

• Operaciónavelocidadvariabledeturbinasdebajacarga.• Implementación de equipos electrónicos y telemetría que permitan el

funcionamiento sin atención directa.• Diseño de turbinas generadoras sumergibles que eviten la necesidad de

cuartos de máquinas.• Uso de nuevos materiales como plásticos, anticorrosivos, etc., para la

manufactura de turbinas, tuberías de presión, sellos, etc.• Optimizaciónatravésdeanálisiscomputacionalesdesistemaspequeños,

lo cual permitamejores dimensionamientos, con el findemaximizar elretornofinancierodelosproyectos.

• Utilizacióndepresasinflablesconaguaquepermitanlaregulacióndelacarga hacia las turbinas.

• Desarrollodenuevostiposdeturbinasomodificacionesenlostiposexis-tentes, incluyendo el uso de bombas de manera inversa.

• Técnicas de construcción de centrales que eviten o minimicen el daño a los peces.

Figura 3. Esquema de una central minihidroeléctri-ca a pie de presa.

Figura 4. Aplicación de turbinas en función del gasto y la carga.

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Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE)

Marco Antonio Roberto Borja Díaz[[email protected]]

El Centro Regional de Tecnología Eólica (CERTE) del Instituto de Investiga-ciones Eléctricas (IIE) es una instalación que fue construida y puesta en opera-ción, con el apoyo económico del Fondo para el Medio Ambiente Mundial (GEF,porsussiglaseninglés),atravésdelProgramadelasNacionesUnidasparaelDesarrollo(PNUD)ysusprincipalesobjetivosson:

• Facilitar las pruebas de prototipos de aerogeneradores y de sistemas híbridos eólico-fotovoltaico de pequeña o gran capacidad, interconectados a red o aislados.

• Proveer servicios a fabricantes de aerogeneradores interesados en la carac-terización y mejora tecnológica de sus productos bajo condiciones locales.

• Servir como un medio para la capacitación de ingenieros y personal técnico, para la operación y mantenimiento de aerogeneradores y centrales eólicas.

• Conformar una plataforma de demostración, validación y evaluación, facilitando el encuentro entre fabricantes de aerogeneradores y compañías mexicanas, con el propósito de identificar y promover posibles asocia-ciones para la fabricación local de partes para aerogeneradores y/o para emprender negocios de riesgo compartido.

• Conformar una moderna y flexible instalación para obtener datos opera-cionales, relacionados con los aspectos de interconexión de aerogenera-dores a la red de distribución de energía eléctrica.

• Servir como un medio para entender e internalizar las normas, métodos depruebaycertificación,conelobjetodedetectaryfacilitarlaimplemen-tación de requisitos adicionales que cubran los aspectos locales.

• Conformar un medio para incrementar el nivel de investigación y desa-rrollo tecnológico en el ámbito nacional, incluyendo la búsqueda de proyectos conjuntos, en colaboración con prestigiadas instituciones de I+D en el extranjero.

• Facilitar proyectos demostrativos o experimentales.

El CERTE está ubicado en las inmediaciones del poblado La Ventosa, Muni-cipiodeJuchitán,Oaxaca.Secuentaconunterrenode32hectáreas,propiedaddel IIE. Dependiendo de la altura sobre el nivel del terreno, el recurso eólico puede ser Clase I o Clase II, de acuerdo con la norma IEC61400-1. Dicha característica hace que el CERTE sea un sitio adecuado para pruebas de aero-generadores. Cuenta con subestación eléctrica y con una línea de interconexión alareddelaComisiónFederaldeElectricidad(CFE),paraalojarhasta5MW

de capacidad que se pueden integrar por aerogene-radores de diferentes capacidades. Su acceso carre-tero y su camino interno fueron construidos para soportar el tránsito de vehículos de transporte y la operación de equipo de maniobras para grandes aerogeneradores. La electricidad que generan los sistemas instalados se recolecta mediante una línea eléctrica subterránea. Cuenta con una edifi-cación de control, aula de capacitación y taller-al-macén. La medición del viento se realiza con dos torres,unade80yotrade40 metrosdealtura,que

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Breves técnicas

incluye una estación climatológica completa. Cuenta con medios de comu-nicación para que los usuarios autorizados puedan monitorear las instala-ciones desde cualquier parte del mundo, ya sea en video o en datos. Cuenta con personal de ingeniería tanto a nivel local como remoto y con personal de vigilancia continua. El IIE cuenta con un permiso expedido por la Comisión Reguladora de Energía para operar el CERTE en la modalidad de Pequeño Productor de Electricidad. Con base en ello, suscribió con la CFE un contrato de compra-venta de electricidad, de tal forma que toda la electricidad que se genera es vendida a la paraestatal.

En enero de 2010 se concluyó la instalación de un prototipo de aerogene-radorde300kW,fabricadoenJapónpor laempresaKOMAIHALTECInc.El propósito principal de esta máquina es la generación distribuida, por lo que cuenta con un convertidor AC-CD-AC de escala completa. Los fabricantes y el IIE han realizado diversas pruebas a la máquina, mismas que son de carácter confidencial.Asimismosehanrealizadopruebasestándartalescomolaobten-ción de su curva de potencia, en apego a la norma IEC 61400-1 y la medición de ruido acústico.

A mediados de 2013 se concluirá la instalación y puesta en operación de una plataforma de pruebas de pequeños sistemas híbridos, la cual está siendo auspi-ciadaporelFondoSENER-CONACYTparalaSustentabilidadEnergética.

Con la infraestructura actual, en el CERTE se pueden instalar hasta tres aero-generadores (con capacidades entre 1 y 3 MW). Las ubicaciones disponi-bles pueden ser usadas para instalar aerogeneradores, con base en convenios específicosconempresasprivadasopúblicas,deacuerdoconlosobjetivosyamencionados.

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El IIE y la tecnología de canal parabólico

Carlos Ramos Berumen, Juan Rafael Ramírez Benítez y José Beltrán Adán[[email protected], [email protected] y [email protected]]

En la actualidad se trata de la tecnología termosolar más extendida a nivel mundial, conmásde2600MWe. El progreso tecnológico de las plantas de canal parabólico para generación de electricidad se considera razonablemente maduro para su aplicación comercial, sin embargo, existen otras aplicaciones, como la generación de calor de proceso, las cuales resultan muy interesantes y de gran utilidad para la industria que requiere energía térmica en sus procesos. Consiste en instalar hileras de espejos con forma de canales de sección para-bólica que colectan y concentran la radiación solar en un tubo receptor. Aquí se calienta un fluido que posteriormente se utiliza, o bien para generar vapor/aguacalienteoparacalentarunsistemadealmacenamiento(figura1).

Figura 1 . Tecnología de canal parabólico.

Figura 2. Impulso de la tecnología de canal parabólico por el IIE.

En este contexto, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) ha impulsado el desarrollo de la tecnología de canal parabólico, con la finalidadde dotar a la industria nacional de una alternativa energética adicional que pudiera integrarse en sus esquemas de generación de calor de proceso indus-trial. El IIE ha avanzado en la práctica a través de varios prototipos, los cuales han sido instalados en distintas localidades, con la finalidad de obtenerinformación que permita ganar experiencia en la operación y mantenimiento de dicha tecnología (figura2).

La experiencia ganada ha demostrado que la tecno-logía está al alcance de la industria metal-mecánica nacional, por lo que su penetración en el mercado puede abrir oportunidades para las empresas manufactureras.

El concentrador está constituido por varios compo-nentes básicos, como lo son la estructura metálica y la superficie reflejante; la estructura está armadaconelementosestructuralestubulares;lasuperficiereflejante está constituida de aluminio, con una reflectividad del 90%. El receptor es un tubo de aceroalcarbónrecubiertoporunasuperficieselec-

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Breves técnicas

tiva con capacidad de resistir temperaturas cercanas a los 450°C. El tubo metálico está protegido por un tubo de vidrio y soportado en la estructura por elementos flexibles, que resisten temperaturas cercanas a los 400°C (figura 3). El concentradorcuenta con un sistema de seguimiento solar auto-mático, desarrollado y patentado por el IIE, el cual lo posiciona de acuerdo a la hora del día y época del año, de tal forma que la apertura se encuentre en la normal de la trayectoria de los rayos del sol (figura 3).

El recurso solar es un “combustible” abundante y con muy buena intensidad que podría suministrar a la industria energía sin impacto ambiental, poten-ciando el desarrollo sustentable y posibilidades de disminución de la factura en el costo de combusti-bles fósiles. En una instalación industrial, el acopla-miento del sistema solar con el sistema conven-cional de suministro de calor se podría efectuar en puntosespecíficosparaelprecalentamientodeaguay hasta para generación de vapor. La demanda de calor de proceso puede ir desde los 80°C hasta los 250°C, con aplicaciones en la industria alimentaria, papelera, textil y química, entre otras. Por su flexi-bilidadenlaconfiguracióndentrodelosprocesos,

Figura 3. Componentes básicos del concentrador.

Figura 4. Aplicación de la tecnología de canal parabólico.

su fácil instalación (nivel de piso o techos) y su mantenimiento simple y sencillo,redituaríanbeneficiosalasempresasporladisminuciónensuscostosdeproducción(figura4).

El desarrollo de este producto contribuirá a potenciar la participación de la industria mexicana, usuaria y manufacturera, en un futuro mercado que puede adquirir grandes proporciones.

Enelaño2012,elIIEylaempresaSistemasEnergíaAlternativaS.A.deC. V.,firmaronuncontratodelicencia,transferenciayusodelatecnologíaydeasis-tencia técnica de la tecnología de canal parabólico, desarrollada por el IIE para su manufactura y comercialización.

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Breves técnicas

Tecnologías termosolares a concentración para generación de electricidad

Carlos Ramos Berumen[[email protected]]

La energía solar es la fuente de energía más limpia, abundante y renovable de todas las que existen. Los principales desafíos a los que se enfrentan las tecno-logías que utilizan esa fuente de energía, como las termosolares a concentra-ción, es poder conseguir que la producción y distribución de energía eléctrica sea equiparable tanto en penetración, como en contribución y por supuesto en costos, a las fuentes de combustibles fósiles tradicionales.

En la actualidad existen principalmente cuatro tecnologías para el desarrollo de la energía termosolar, según la manera que concentran la radiación directa del sol. Unos dispositivos llamados heliostatos (receptor central), espejosde geometría lineal o parabólica lineal (tipo Fresnel o canales parabólicos) o platos parabólicos, colectan la radiación solar y la concentran para calentar un determinado fluido de trabajo, que a su vez sirve para generar vapor en la mayoría de las tecnologías. El vapor se expande en una turbina convencional, para generar electricidad de igual manera que cualquier planta termoeléctrica convencional. En el caso particular de los platos parabólicos/motor Stirling, el fluido de trabajo es un gas y se genera electricidad directamente mediante el motor situado en el foco de la parábola. Estas cuatro tecnologías se pueden adecuar para operar en forma híbrida, energía solar-combustible fósil o incluir un sistema de almacenamiento térmico. Estas opciones aumentan las posibili-

dades de disponibilidad de las tecnologías, permi-tiéndoles entregar energía eléctrica durante mayor tiempo, aun en horas sin sol.

Las primeras plantas comerciales comenzaron a operar en California, EstadosUnidos amediadosde la década de los ochenta, aunque dicho mercado se paralizó, como consecuencia de la reducción en los precios de los combustibles fósiles y la corres-pondiente suspensión de incentivos públicos. El resurgimiento se dio hasta mediados de la década del año 2000, que reinició con la construcción de plantas de tamaño comercial, principalmente en EspañayEstadosUnidos,graciasalestablecimientode subsidios de los respectivos gobiernos.

Afinalesde2012,lapotenciatermosolarinstaladaen elmundo rondaba los 2,600MWe, liderando España con cerca de 45 plantas, equivalente a 2,000MWe,seguidaporEstadosUnidosconcercade570MWe (la mayor parte instalada desde hace más de veinte años). También se encuentran en operación diferentes plantas en Marruecos, Argelia, Egipto, Emiratos Árabes, Italia, Australia, Chinae India.Además,existenpocomásde2,700MWen construcción avanzada, siendo nuevamente España y Estados Unidos los países que destacanen este renglón. Por otro lado, existen poco más de 8,000 MWqueseestángestandoenplanesydesa-rrollo en diferentes partes del Mundo.

Un alto porcentaje (poco más del 90%) de lasplantas utiliza la tecnología de canal parabólico, seguida por la de receptor central y muy marginal-mente la de Fresnel y plato parabólico. Aproxima-damente dos tercios de las plantas cuentan con un almacenamiento y el grueso de éstas con capacidad nomásalláde50MW(limitaciónnormativamas

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no técnica), no obstante, las plantas de receptor central estarían por encima de los 100 MW. Lacobertura de la demanda todavía no es significa-tiva, en comparación con el resto de tecnologías que componen el parque energético de los dife-rentes países, aunque su peso se ha visto incremen-tado notablemente entre 2010 y 2012 (España alcanzó en 2011 valores cercanos al 1.5%).

Las oportunidades de innovación en las diferentes tecnologías termosolares a concentración son muy importantes, ya que a pesar de que se trata de tecnologías existentes desde los años ochenta, es a partir de 2006 cuando se ha producido el despegue, principalmente en España y Estados Unidos. Eneste sentido, es fundamental establecer incentivos económicos que faciliten la I&D&I, aseguren el avance de la tecnología y eviten que los proyectos futuros sean una repetición de las plantas actuales.

El esfuerzo que realizan las empresas involucradas paradesarrollarsolucionesinnovadorasessignifica-tivo, sin embargo, el camino por recorrer es todavía franco. Los estudios efectuados por los diferentes promotores han mostrado que para acelerar el proceso de implantación de la tecnologías es reco-mendable enfatizar en:

• Mayor desarrollo tecnológico en torno al campo solar (de todas las tecnologías, heliós-tatos, canales y platos parabólicos, así como colectores tipo Fresnel).

• Renovación en los procesos de diseño de las centrales (soluciones tecnológicas específicaspara cada planta).

• Evolución de los procesos de manufactura de equipos.

• Nuevos conceptos de plantas, evolucionando del tamaño actual a mayores potencias, configuradas con grandes sistemas de almacenamiento ohibridación con gas natural, a través de plantas de ciclo combinado o de cogeneración.

Las mejoras esperadas están contempladas en cada uno de los puntos ante-riores, siendo de influencia en mayor o menor grado, dependiendo de cada una de las tecnologías. Para el caso de las plantas de canal parabólico, las mejoras estarían involucradas con la generación directa de vapor, incremen-tandolaeficienciaglobalylaconsideracióndematerialesconcambiodefasepara almacenamiento térmico.

En las plantas de receptor central se esperan diseños innovadores en campos de helióstatos compartiendo varias torres/receptores, propuestas de diseño de una gran variedad de receptores, diferentes fluidos de transferencia de calor y sistemas de almacenamiento.

La tecnología de plato parabólico apunta hacia la reducción de costos mediante la producción masiva y proyectos demostrativos con fiabilidad de mayoralcance,consolidandosusventajasentérminosdeeficienciaylautilizacióndeagua de enfriamiento.

Finalmente, los desarrolladores de la naciente tecnología de colectores tipo Fresnel (aunque de forma natural se puede generar vapor directo gracias al receptorfijo)estáncontemplandomuchasdelasmejorasinherentesalatecno-logía de canal parabólico.

Además de la producción de electricidad, otras posibles aplicaciones de las tecnologías termosolares incluyen la producción de calor de proceso industrial, la desalación de agua y la producción de “combustibles solares” como hidró-geno y otros vectores energéticos.

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Retos de la tecnología fotovoltaica (FV)

Jaime Agredano Díaz[[email protected]]

2012 fue un año icónico para la tecnología FV, ya que se sobrepasaron los 100 GWde capacidad instalada acumulada. Adicionalmente, varias fuentesreportaronquedurante2012seinstalaronmásde30GW,manteniéndoselastasa de crecimiento del mercado FV por encima del 50% por vario años conse-cutivos. Todo esto hace que las expectativas para esta tecnología sean promete-doras en los años por venir.

Sin embargo, existen algunos retos por superar. Desde el punto de vista econó-mico, la barrera psicológica del costo de un dólar por watt ha sido superada. Los precios de los módulos de en el mercado spot han fluctuado durante los últimos meses, alrededor de los 70 centavos de dólar por watt. No obstante, también se reportó el cierre de grandes empresas de módulos FV y la solicitud de varias más para que se les declarara en bancarrota. Aunado a lo anterior, el diferendo comercial entre occidente y China por acusaciones a este último por prácticas de dopaje, hacen que el panorama para la tecnología FV vislumbre algunasdificultades.

Lo que también se observa es que las empresas con integración vertical de la cadena de valor (producción de materias primas hasta el ensamble y comer-cialización de módulos FV) son las que están sorteando de mejor manera el temporal.

Desde el punto de vista tecnológico, el dominio de la tecnología de silicio conti-nuará.Losesfuerzosparalograrmayoreseficienciascontinúan,sinembargo,losreportes de aumento de eficiencia para esta tecnología no son espectaculares,pues los incrementos han estado por debajo del 1% en módulos FV.

Respecto a las demás tecnologías, se siguen investigando materiales con mayores eficiencias de conversión y métodos de pasivación que permitandisminuir la degradación prematura de los materiales. Los esfuerzos que se realizan con estas tecnologías se enfocan a encontrar materiales más baratos, más abundantes y métodos de fabricación que permitan una mayor automati-zación. Entre las áreas de desarrollo para esta tecnología se encuentra la fabrica-cióndegrandessuperficiesatravésdetintasconpropiedadesfotovoltaicas.Lafabricación de módulos FV basados en esta tecnología permitirán disminuir de forma muy importante los costos de fabricación, dado que se pueden cons-truir máquinas que permitan la fabricación de módulos FV de grandes dimen-siones, con procesos totalmente automatizados.

El uso de materiales orgánicos es otra de las apuestas tecnológicas que se encuentran en el radar de los tecnólogos y centros de investigación. Estos materiales abundantes y de bajo impacto al medio ambiente, pueden representar una alterna-tiva técnica y económica viable. El desarrollo de esta tecnología está en sus primeras etapas, por lo que actualmente no ofertan productos comerciales basados en materiales orgánicos. De las tecnolo-gías en desarrollo ésta es la que menor eficienciareporta, sin embargo, puede representar una alter-nativa viable en el futuro.

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Breves técnicas

En el tema de uso masivo de la tecnología FV se están viendo algunos cambios importantes en el paradigma. Por un lado, durante la década pasada, lavisiónparalamasificacióndeestetipodeinstala-ciones se enfocó a la instalación de plantas centra-lizadasconcapacidadesdevariasdecenasdeMW,sin embargo, esta modalidad tiene límites en los países con alta densidad poblacional y territorios limitados, como es el caso de los países europeos y Japón. Por otro lado, se debe evitar la competencia por terreno con otras actividades productivas como la agricultura y la ganadería.

Ante esta situación, la alternativa que se propone es la utilización de los grandes desiertos en el norte deÁfrica,eldesiertodelGobienAsia,losdesiertosde Australia y los localizados en Norte y Suramé-rica. Existen varios estudios donde se hacen estima-ciones del potencial de estas áreas para la genera-ción de electricidad con tecnología FV.

El uso de los sistemas FV como una alternativa de generación distribuida es una propuesta que cada vez toma mayor relevancia.

En Europa se aprecia un viraje hacia esta alternativa y las razones son obvias. Desde el punto de vista de disponibilidad de espacios, el medio urbano repre-senta un área con alto potencial y desde el punto de vista técnico, el generar la electricidad en el sitio mismo donde se consume tiene enormes ventajas.

Desde el punto de vista de mecanismos de implementación masiva es impor-tante mencionar que la propuesta de realizarlos a través del pago de tarifas preferenciales por la electricidad que se aporta a la red (feed-in tariff) ha mostrado sus ventajas y limitaciones. Por un lado representa una forma rápida de generalizar el uso de esa tecnología, pero también ha mostrado que igual-mente puede provocar la distorsión del mercado y en algunos casos ha llegado a presentar una carga fiscal muy alta para los gobiernos. La medición netaparece que es una medida más moderada que permite la introducción más ordenada de la tecnología.

Finalmente, el gran reto además de los inherentes propios de tecnología FV, será desarrollar tecnologías para el almacenamiento de energía que permitan de manera económica, segura y de bajo impacto al medioambiente, eliminar el estigma que tienen muchas de las fuentes alternas de energía de no ser despachables.

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Artículo de investigaciónImpacto de un sistema fotovoltaico interconectado a red en la demanda eléctrica de un usuario DAC en BCS

Humberto Raúl Jiménez Grajales, Jaime Agredano Díaz, Raúl González Galarza y Gonzalo Munguía del Río

Artículo presentado originalmente en el VIII Congreso Internacional sobre Innovación y Desarrollo Tecnológico (CIINDET 2010), del 24 al 26 de noviembre de 2010, en Cuernavaca Morelos, México.

Abstract

In Mexico, the incident solar radiation is high enough, that encourages its use both to produce process heat or electricity through solarcellsinautonomousconfigurationsorgrid.InEuropeancountrieswithsubstantiallylowerirradiationlevelssuchasinGermanyor Spain, PV Grid Connected Systems (PVGCS) are a mature technology that is widely used in these countries, mainly due to tax incentivesandpreferentialfeedintariffsschemes.Ofthebenefitsthatelectricityproductionmodalityprovidesboththeuserandtheelectricitygridandalsothetechnicalbenefitsfortheutilitiesforincorporatingdistributedgenerationatitsdistributionsystem.InMexico, more and more people are motivated to invest in this type of technology. This article analyzes the particular case of a user thatisclassifiedasHighConsumptionDomesticCustomer(HCDC)inthecityofLaPaz,attheBajaCaliforniaSurState(BCS),whoownsasinglephaseof6kWpPVGCSinstalledontheroofofherhouse.

The reported results in this paper come from data from the analyses carried out by the Electrical Research Institute (IIE) for a three year monitoring period. The paper includes meteorological information, energy and power balances, maximum power, standard production, system losses, efficiency of the photovoltaic generator and inverters, among other performance information. The docu-ment highlights the impact that the PV system on electricity consumption user billing from the utility, and some recommendations areprovidedonwhatmustbedoneinordertogetoutfromtheHCDCclassificationandtheeconomicbenefitsofit.

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Artículo de investigación

Resumen

En México se tienen niveles de irradiación solar suficientemente altos, que desde un punto devista puramente energético alientan a su apro-vechamiento en la producción de electricidad, ello mediante sistemas fotovoltaicos directa-mente conectados a la red eléctrica convencional (SFVI). En países europeos con niveles de irra-diación sustancialmente inferiores – i.e. España o Alemania- esta forma de producción de electri-cidad es al día de hoy una opción bastante madura, en razón de los beneficios que estamodalidad deproducción de electricidad aporta tanto al usuario como a la red eléctrica. En México cada vez son más los usuarios del servicio eléctrico que se ven moti-vados a invertir en este tipo de sistemas. En este artículo se analiza el caso particular de un usuario de tarifa DAC (Demanda de Alto Consumo) en la ciudad de La Paz, Baja California Sur (BCS), quien cuentaconunSFVImonofásicode6kWp insta-lado en el techo de su casa.

Los resultados que se reportan provienen de datos obtenidos por el IIE durante un periodo de moni-toreo de tres años de la operación del sistema. Los resultados incluyen información climatológica, balances de energía y potencia, potencias máximas, producciónypérdidasnormalizadas,eficienciadelgenerador fotovoltaico y de los inversores, entre otros índices de desempeño. El documento resalta el impacto que tiene el SFVI sobre el consumo eléctrico en el inmueble y en el monto de la factura queelusuariofinalmentepagaalacompañíasumi-nistradora del servicio eléctrico.

Introducción

En términos generales, los niveles de irradiación solar en México son sustancialmente superiores a los que se presentan en países europeos - i.e. España o Alemania- donde la generación de electricidad medianteSFVIeshoyporhoyunaopciónsuficien-temente madura. Se espera que para el año 2020 se pueda abastecer el 40% de la demanda eléctrica en laUniónEuropea, a travésdeSFVI instalados enel 40% de todos los tejados y el 15% de todas las fachadas (NotiSel No. 78).

En el noroeste de México, en este caso en la ciudad de La Paz, BCS, se tienen registros de irradiación

promedioanualde5.7kWh/m2-día (González et al, 2008), valores ligeramente inferiores al de sitios con los más altos niveles de irradiación solar registrados enelplanetacomopuedeserIsraelcon7.9kWh/m2-día (www.iea-pvps.org). Por esta razón y en cierta medida alentado por la reciente emisión de normati-vidadyreglamentaciónespecíficaparaSFVI,en2009sealcanzóenMéxicoelprimerMWpinstalado(IIEAnnualReport,2009).Enconsecuencia,cadavezson más los usuarios de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), tanto del sector doméstico como del sector público y privado, quienes están invirtiendo en SFVI para generar parte de la electricidad que consumen. Esto está creando diferentes nichos de aplicación y de rentabilidad sistemas, como el aquí presen-tado: un usuario de servicio doméstico donde aplica la tarifa DAC (González et al, 2008).

Enelartículo seabordael impactoqueha tenidounSFVIde6kWpenelconsumo eléctrico y en la facturación del servicio, de un usuario de tarifa DAC en La Paz, BCS. El SFVI fue monitoreado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) de abril de 2007 a abril de 2010, y es a este periodo al que corresponden los resultados que se reportan.

Antecedentes

Elconsumoanualdeelectricidaddelaviviendaesdelordende25,000kWh(González et al, 2008), lo que muestra un usuario doméstico con un estándar devidaalto, cuyoconsumodeenergíay localizacióngeográfica locolocaenuna tarifa DAC, 1D (localidades con temperatura media mínima en verano de 31ºC).

Tarifa

LaCFEclasificaalosusuariosdomésticosdealtoconsumodeenergíaeléctricacomo usuarios de servicio DAC (o tarifa DAC (www.cfe.gob.mx)). Estos usua-rios son aquéllos que registran un consumo mensual promedio (con base en unañomóvil),superioralvalorestablecidoparaaltoconsumoyquedefinelatarifa.Enlatarifa1D(BCS)estevaloresde1,000kWh/mes.

En esta tarifa, el precio de la energía eléctrica que la CFE aplica a este sector es elmásalto.yestáintegradabásicamenteporuncargofijoyunoporconsumo(kWh/mes),máselimpuestocorrespondiente.

Es importante mencionar que la CFE maneja un costo por kWh para latemporada de verano (los meses más cálidos consecutivos del año) y otro para losmeses fuerade él.En juniode2010, el costodelkWhenBCSpara losmeses de verano fue 27% más alto que el aplicable a los meses fuera de él.

Normatividad

EnMéxicosehandadoavancesenloqueserefiereanormatividadaplicablea SFVI, tanto técnica como regulatoria. En la parte técnica se tiene especi-ficaciónCFEG0100-04paraSFVI (CFEG0100-04)que cubre sistemasde

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hasta10kWpenaplicacionesresidencialesyhasta30kWenservicioscomer-ciales. Respecto a la parte regulatoria, en junio de 2007 se publicó, en el Diario Oficial de la Federación, el contrato de interconexión para pequeños SFVI(RES/176/2007) y a inicios de 2010, el contrato para generadores de electri-cidaddehasta500kW(RES/054/2010)basadosenenergíasrenovables.

Costo del kWh suministrado por un SFVI

En el “Contrato de Interconexión para Pequeños SFVI” (RES/176/2007) que el usuariofirma, está establecidoque laCFE comprará los kWhprove-nientes del sistema fotovoltaico al mismo costo que ésta lo factura al usuario en la tarifa aplicable, es decir, en un esquema de 1 a 1. En la práctica esto se realiza mediante un kilowattorímetro bidireccional instalado en su inmueble (suministrado por la CFE), el cual registra la energía inyectada a la red eléctrica en los periodos de superávit de la generación fotovoltaica y la descuenta del consumo global de energía demandado a la CFE.

Sistema fotovoltaico interconectado a la red

Lafigura1muestra laconfiguracióndelsistemay lamaneracómose llevaacabo la conexión de éste con la red eléctrica de la CFE. En ella se indican los flujos de potencia real y reactiva durante la operación del sistema, así como las variables que se registran para su evaluación. Ello de conformidad con los procedimientos internacionales vigentes para la caracterización de SFVI (González et al, 2008; procedimiento PFVI-IIE, 2000).

Generador fotovoltaico o GFV

Está constituido por un arreglo de 100 módulos fotovoltaicos (MFV) marca First Solar, modelo FS-260, fabricados con tecnología de película delgada (CdS/CdTe). Eléctricamente, el GFV está dividido en dos subarreglos de 10 cadenas en paralelo de 5 MFV en serie cada una. Cada subarreglo está provisto de un inversor.

Sistema de acondicionamiento de potencia

El SFVI está conformado por dos inversores monofásicos para conexión a red de3,200Wdecapacidad, los cualesposeen internamenteun transformadorelevador que proporciona el aislamiento galvánico entre el sistema y la red de distribución de la CFE (CFE G0100-04).

Interconexión con la red eléctrica

La acometida del inmueble alimenta un circuito monofásico de tres hilos a un voltaje de 240/120 VCA y 60 Hz. El SFVI se encuentra conectado en paralelo a las barras principales del centro de carga del inmueble mediante un interruptor termomagnético de dos polos.

Medición de energía

La vivienda se encuentra habilitada en su acome-tida eléctrica con un watthorímetro bidireccional para la medición neta de la energía. A través de este medidor se contabiliza la energía que fluye en ambos sentidos del punto de conexión común (PCC), la demandada de la red y la suministrada a la red.

Operación del SFVI

Durante la operación normal del sistema fotovol-taico en el inmueble se pueden presentar tres dife-rentes situaciones:

1. Consumo parcial o total de la red eléctrica2. Inyección a la red eléctrica3. No consumo de la CFE

Figura.1ConfiguracióneléctricadelSFVI.

Figura 2. GFV en la azotea de la vivienda.

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Estas condiciones de operación se presentan a lo largo del día, durante la jornada solar. El primer caso es el más común, ya que los otros solo tienen lugar durante el periodo de generación FV y dependen tanto de la magnitud de ésta, como del valor de la demanda de energía eléctrica en la vivienda.En lafigura3semuestran losdiferentesescenarios en los que típicamente opera el SFVI a lo largo de un día.

1. Consumo parcial o total de la red eléctrica

Este caso se presenta cuando la electricidad generada por el SFVI es inferior al valor de la demanda en el inmueble. En este caso, el total de la producción de electricidad del SFVI es consumido localmente y la demanda total en el inmueble se complementa mediante la aportación de electricidad proveniente delaredeléctricadelaCFE.Enlafigura3semuestracomoestosepresentade7:00a10:00hrs.yde16:00a18:30hrs., esdecir,al inicioyfinalde lajornada solar.

2. Inyección a la red eléctrica

Este caso se presenta cuando la electricidad generada por el SFVI excede la demanda en el inmueble, es decir, se tiene un superávit en la generación, de talmaneraqueelexcedenteesvertidoalareddelaCFE.Enlafigura3estosepresenta de 10:00 a 16:00 hrs.

Cabe hacer notar, en la figura 3, el abatimiento del pico de demanda localdebido al SFVI, el cual se puede dar incluso antes de presentarse el pico de generación FV. En el caso de un usuario en tarifa doméstica o comercial esto noeseconómicamenterelevante,dadoqueelkWhconsumidodelaCFEtieneel mismo costo para él a cualquier hora del día, sin embargo, en servicios con tarifas horarias esta característica sí es relevante.

3. No consumo de la CFE

Este caso se presenta cuando la electricidad generada por el SFVI iguala el valordelademandalocal.Enlafigura3estacondiciónsepresentaensolodosbreves instantes, a las 10:00 y a las 16:00 hrs. aproximadamente. En particular esta condición es de las más observadas en la normatividad, dado que si ello coincide con una salida de la red, existe el riesgo de formar una isla de genera-ción no deseada.

Facturación de la energía en el inmueble

Enelhistogramade lafigura4 semuestraelhistorialdel consumomensualpromedio (kWh) facturadopor laCFEalusuario,durante elperiodo anali-zado. Asimismo, el histograma muestra el consumo mensual total de la vivienda, con el propósito de visualizar el impacto de la generación FV. La líneahorizontalenelgráficoseñalaelvalorlímitedeconsumomensualparalaaplicación de la tarifa DAC, 1D.

Resultados operacionales

La tabla 1 muestra algunos de los parámetros que caracterizan el desempeño operacional del SFVI a lo largo de tres años, entre el 1 de abril de 2007 y el 31 de marzo de 2010. El valor reportado para cada parámetro corresponde a promedios anuales, así como al valor promedio de los 36 meses.

Figura 3. Reducción de la demanda de electri-cidad a la CFE (día de invierno).

Figura 4. Facturación promedio anual al usuario DAC con SFVI.

Figura 5. Información climatológica del sitio.

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Condiciones climatológicas

La temperatura ambiente promedio durante el periodo fue de 24ºC y la de los módulosFVde29.8ºC(tabla1).Asimismo,lafigura5muestraelcomporta-mientomensualde la irradiaciónsobre lasuperficiedelGFV, latemperaturapromedio del ambiente y de los MFV, mostrando los mayores niveles de irra-diación en el periodo marzo-junio, mientras que los niveles de mayor tempera-tura fueron de julio a septiembre, en verano.

Producción normalizada del SFVI

Con referencia al histograma de la figura 6, la tendencia en la produccióndel SFVI fue semejante a lamostrada en la figura 5. En el gráfico tambiénse incluyen las pérdidas en la captación de energía y en los inversores, cuyos valoresde eficiencia sonbastante aceptables (tabla1).En el gráfico sepuede observar que la mayor producción se registró en el periodo de abril a septiembre y que la relación de desempeño tuvo sus registros más bajos de

abril a junio, debido principalmente a las pérdidas de captación en el GFV por sombreados. Las pérdidas en los inversores son un poco mayores en verano, debido a que trabajan más cercanos a sus valores nominales de potencia, es decir, los inver-sorestienenenfocadasumayoreficienciaenvaloresmedios de la potencia nominal, debido a que la mayoría del tiempo operan en tales niveles por la dinámica del propio recurso solar.

Balances de energía

En la tabla 1 se resume la energía total producida por el SFVI por año y se indica enseguida la vertida a la red como excedente, que en promedio es del orden de 15% de esta producción. La aportación del SFVI al total de la electricidad anual consumida en la vivienda es del orden de 37%.

Tabla 1. Resumen del desempeño del SFVI.

Figura6.Producciónfinal,pérdidasyrelacióndeldesempeño del SFVI.

Figura 7. Balance de energía consumida en el inmueble.

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Dado lo anterior, la CFE únicamente facturó el 63.2% de la energía consumida por la vivienda a lo largo del año. Considerando un costo medio de 3.07 $MN/kWh para la tarifa aplicable (app.cfe.gob.mx), el ahorro del 36.8% que tuvo el usuario del sistema por año equivale a un monto de $ 28,394.6 MN.

Aportación del SFVI al

consumo en la vivienda

Con referencia al histograma de la figura 7, setiene que la producción final del SFVI tiene unimpacto significativo sobre lademandade energíadel usuario DAC y, en consecuencia, un impacto económico que se refleja en el monto de la factura final (figura 4). La figura 7 muestra de maneramensual los porcentajes de energía aportada por el SFVI y por la CFE, con referencia al total del consumo en la vivienda del usuario DAC. Los excedentes vertidos a la red por el SFVI se encuen-tranconsideradosenelgráfico.

Es importante hacer notar que la mayor aportación del SFVI al consumo de la viviendatienelugarduranteelperiododeverano,cuandoelcostodelkWhenla zona es alrededor de 27% más alto que en el invierno.

Conclusiones

En general y conforme a los resultados registrados en la instalación durante los tres años de monitoreo, el SFVI aportó el 37% del total del consumo eléctrico en el inmueble. Esto representó para el usuario, considerando únicamente el precio de la energía de la tarifa DAC aplicable, un ahorro anual del orden de $28,000 pesos en su facturación, lo que es importante ya que el precio de la energía eléctrica tiende a subir con el tiempo y la reducción gradual del subsidio que la CFE aplica a sus tarifas es cada vez más palpable (i.e. la propia tarifa DAC).

Si se tuviera por objetivo llevar el consumo promedio anual del usuario por debajo del límite DAC y retornar a la tarifa básica, la capacidad instalada (9 kWp en total) se tendría que incrementar en un 50%, sin embargo, por lainversión requerida esto no sería económicamente viable. Lo más recomen-dable sería llevar a cabo un estudio de cargas en el inmueble con propósitos de ahorro de energía (i.e. sustituir lámparas incandescentes por ahorradoras).

Considerando una vida útil de 20 años para el SFVI, así como las condiciones de operación en las que éste ha venido trabajando desde su puesta en servicio (factor de planta y disponibilidad), el SFVI producirá durante su vida útil, alre-dedorde169MWh.Estacantidaddeelectricidadproducidaconunafuentede energía limpia, en este caso el SFVI, evitará la emisión a la atmósfera de alrededorde100toneladasdeCO2 equivalente, además de generar una ahorro económico al usuario.

Dado el alto nivel de irradiación solar en México, el aprovechamiento de este recurso energético para la producción de electricidad es actualmente una opción técnica y económicamente atractiva, sobre todo en ciertos nichos de aplicación que por las circunstancias que imperan en el país, en cuanto a normatividad y regulaciones, resultan más promisorios.

Agradecimientos

Los autores agradecen el apoyo de la empresa Tenaja Holdings S. de R. L. de C.V. propietaria de la vivienda y al Ing.OctavioOrozco Alatorre, gerentegeneral de la compañía Plantas Solares, S. A. de C. V. por las facilidades brin-dadas para la caracterización del SFVI. Asimismo agradecen a la Superinten-dencia de la CFE, Zona La Paz, especialmente al ingeniero Javier Huerta, por el apoyo brindado en todo momento.

Referencias

“En2020,lafotovoltaicapodríaabastecerel40%delademandaeléctricaenlaUE”,SectorEléc-trico y Energético, Boletín Electrónico NotiSel, Número 78, martes 29 de junio de 2010.

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González R., Jiménez H., Agredano J. y Lagunas J. Resultados Operacionales de un Sistema Foto-voltaico de 6.5 kWp Interconectado a la Red en La Paz, B. C. S.XXXIICongresodelaAsociaciónNacionaldeEnergíaSolar,claveSFV-16,Mérida,Yucatán,2008.

Web de la IEA (de sus siglas en inglés; AIE, Agencia Internacional de Energía): http://www.iea-pvps.org/. 2006.

PV Technology: Status and Prospects in Mexico, General Framework, Jaime Agredano, J. M. Huacuz; Electrical Research Institute (IIE), Annual Report, 2009, IEA.

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EspecificaciónCFEG0100-04.InterconexiónalaRedEléctricadeBajaTensióndeSistemasFoto-voltaicosconCapacidadhasta30kW,ComisiónFederaldeElectricidad,Agosto2008.

HUMBERTO RAúL JIMÉNEZ GRAJALES[[email protected]]

Maestro en Electrónica de Potencia en la línea de investigación de calidad y ahorro de energía, por elCentroNacionaldeInvestigaciónyDesarrolloTecnológico(CENIDET)en2002.ObtuvoelPrimerlugarenelXVIConcursoNacionaldeCreatividad(2001)yenelCertamenNacionaldeCiencia y Tecnología (2002), con el proyecto de maestría: inversor fotovoltaico interconectado a redcon funcionesdefiltroactivo integradas. IngenieroElectrónicoporel InstitutoTecnológicode Tuxtla Gutiérrez, Chiapas en 1998. Realización de Residencia Profesional en la Gerencia de ControleInstrumentaciónyparticipaciónenelXIIIGrupodeAdiestramientoenInvestigaciónTecnológica en la Gerencia de Equipos Eléctricos, ambas en el IIE en 1998. Ingresa a la Gerencia de Energías No Convencionales (GENC) del IIE en noviembre de 2001, donde se ha desempe-ñado como investigador en la línea de sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica, en proyectos de investigación aplicada y desarrollo tecnológico. Ha impartido cursos de especializa-ción en su área para sectores como el energético, académico y de la iniciativa privada. Desde 2011 es instructor del Centro de Posgrado del IIE. Asimismo ha dictado conferencias a nivel nacional y tienepublicacionesafinesasulíneadeinvestigación.

Resolución Res/176/2007. Contrato de interconexión para fuente de energía solar en pequeña escala: 10 kWp para casahabitación,30kWp.Sistemascomerciales(Junio2007).

Resolución Núm. RES/054/2010.Contrato de Interconexión para Fuente de Energía Renovable o Sistema de Cogeneración en Pequeña Escala, Diario Oficial de la Federación, jueves 8 deabril de 2010, Secretaria de Energía www.cre.gob.mx/docu-mento/1333.pdf

Procedimiento para la Instrumentación de PFVI a la Red Eléc-trica. Documento interno IIE, noviembre de 2000.

JAIME AGREDANO DÍAZ[[email protected]]

IngenieroMecánicoElectricistaporlaUNAMen1984.Actual-mente se encuentra en un Programa de Doctorado en SFV en laUniversidad de Jaén, España. Ingresó al IIE en 1984 comoinvestigador en la GENC, donde ha dirigido proyectos FV; desarrollo de especificaciones técnicas y guías de selección deSFV; asesoría para gobiernos estatales y la Unidad de Elec-trificaciónRuralde laCFE.Es líderdelproyectodeSFVIdelGEF-PNUD/IIE.

RAúL GONZáLEZ GALARZA[[email protected]]

IngenieroMecánico Electricista por laUniversidadAutónomadeSanLuisPotosí(UASLP).Laboróenlaindustriametal-me-cánica de 1977 a 1984. Es investigador en la GENC donde dirige y colabora en proyectos vinculados con el desarrollo y aplicación de sistemas conversores de energía. Desde 1984 parti-cipa y dirige proyectos de desarrollo tecnológico en el área de energías renovables. Ha impartido numerosos cursos de actua-lización y diplomados, y ha publicado artículos técnicos y de difusión sobre el aprovechamiento de la energía eólica y solar-fo-tovoltaica. Fue miembro del Sistema Nacional de Investigadores de México.

GONZALO MUNGUÍA DEL RÍO[[email protected]]

Ingeniero Mecánico Electricista por la Universidad NacionalAutónoma deMéxico (UNAM) en 1980. En 1991 ingresó alIIE a la GENC. Ha participado en proyectos de aplicación y desarrollo tecnológico en energía FV, así como ponente en congresos nacionales e internacionales al respecto.

De izquierda a derecha: Humberto Raúl Jiménez Grajales, Jaime Agredano Díaz, Raúl González Galarza y Gonzalo Munguía del Río.

Reforma 113,colonia Palmira,

C.P. 62490,Cuernavaca, Morelos, México

Tel: (777) 362 3811

Boletín IIEPanorama actual

de las energías renovables

Año 37, abril-junio de 2013, vol. 37, núm. 2, ISSN0185-0059

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