La energía solar y sus aplicaciones en la industria

Taller:
La energía solar y sus aplicaciones en la industria
Alternativas para satisfacer nuestras
necesidades energéticas de una forma
sustentable
Dr. Nicolás Velázquez Limón
Centro de Estudio de las Energías Renovables
del Instituto de Ingeniería de la
Universidad Autónoma de Baja California
Congreso Internacional de Mantenimiento Industrial Bahía de Banderas 2013
Nuevo Vallarta, Nayarit, México, 26, 27 y 28 de junio
Agenda
 Introducción
 Problemática y oportunidades del sector industrial.
 Propuesta para obtener una INDUSTRIA sustentables y
energéticamente autosuficientes.
 La energía solar y sus diferentes aplicaciones.
Tecnologías solares para la GENERACIÓN ELÉCTRICA.
 Sistemas energéticos acoplados
 Tecnologías solares para APLICACIONES TÉRMICAS.
 Sector industrial del futuro
 Reflexiones finales.
¿Como podría ser un sector industrial
con tecnologías sustentables?
Problemática que justifica el desarrollo
de una industria SUSTENTABLES CON
ENERGÍAS RENOVABLES
Problemática energética,
ambiental y económica del
sector industrial.
La contaminación de nuestro aire, agua y suelos por parte de
la industria es una realidad.
¿Es una realidad necesaria para que se genere un
desarrollo económico?
¿No tenemos otra alternativa?
En algunos casos se plantea decidir entre aceptar “cierto
grado” de contaminación o quedarse sin fuentes de trabajo.
Problemática y oportunidades del sector industrial
¿Por qué es necesarios evolucionar hacia una
industria sustentable y con autosuficiencia energética?



Las empresas sucias tienen que soportar las
legislaciones
ambientales
y
las
exigencias
competitivas de los mercados y eso pone en riesgo su
sobrevivencia.
Actualmente ya no se permite el crecimiento industrial
sin restricciones, como en el pasado. Hay que cumplir con
la reglamentación ambiental y ser altamente competitivos.
Para atacar el problema se puede aprovechar los
incentivos fiscales (depreciación acelerada, no pagar
impuestos en importaciones, apoyo en la realización de
proyectos, etc.) por implementar tecnologías limpias.
DERECHOS RESERVADOS, D.R.-2012-CICESE ©
¿Por qué buscar ser autosuficientes energéticamente?
Petróleo en México
Miles de barriles de petróleo por día
4000
Produccion
Consumo
Cap. de Refinacion
3000
2000
1000
0
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Año
A mediano y largo plazo, no hay seguridad en el suministro y los
costos de los energéticos van a seguir subiendo.
Problemática que justifica el desarrollo de
TECNOLOGÍAS SUSTENTABLES CON ENERGÍAS RENOVABLES
INDUSTRIA DEL PETROLEO
NUESTRO
DESARROLLO COMO
SERES HUMANOS
ESTA BASADO EN
PROCESOS
INEFICIENTES Y
CONTAMINANTES
TERMOELECTRICA
LOS PATRONES
ACTUALES DE
GENERACIÓN ELÉCTRICA
NO SON SUSTENTABLES
DEBIDO A SUS GRANDES
EFECTOS AMBIENTALES.
La mayoría de nuestros grandes problemas actuales es por
los efectos secundarios de las tecnologías.
La contaminación nos afecta a todos!!
Es por eso, que todos debemos buscar soluciones.
Pero no es solo cambio climático el problema
Sustentabilidad y autoabastecimiento energético en la Industria
¿Cómo podemos obtener una industria mexicana
sustentable y energéticamente autosuficiente?
Aprovechar las oportunidades que ofrecen las nuevas
tecnologías energéticas para disminuir costos de
producción y aumentar la competitividad, sin afectar el
ambiente.
Empresa
exitosa
sostenible
Proyectos
solares
Reducción de
costos de
producción y
daño
ambiental.
Industria más
competitiva y
socialmente
responsable.
Programa de
sustentabilidad y
autosuficiencia
energética.
Diagnostico de la
situación actual
DERECHOS RESERVADOS,
D.R.-2012-CICESE
Dinámica
de mejora
continua©
JUSTIFICACIÓN del programa para el aprovechamiento
de las Energías Renovables en la industria.
RECURSOS
PROBLEMATICA
OPORTUNIDADES
(Soluciones?)
TECNOLOGÍAS SUSTENTABLES
Y PLAN ESTRATEGICO
ENERGETICA
Identificar y aprovechar las
oportunidades que ofrecen las energías
renovables
SOLAR
(ER)
TECNOLOGÍAS
AMBIENTAL
INDUSTRIA
ECONOMICA
Las energía solar como una
alternativa para mejorar la
competitividad y la conservación
del Medio Ambiente
COMPETENCIA
DERECHOS RESERVADOS, D.R.-2012-CICESE ©
JUSTIFICACIÓN del programa para el aprovechamiento
de las Energías Renovables en la industria.
Problemática
•
•
•
•
Energética
Ambiental
Económica
Social
Energías
Renovables
•
•
•
•
•
•
Solar
Eólica
Oceánica
Biomasa
Geotérmica
Hidráulica
Tecnologías
Energéticas
•
•
•
•
Centralizadas
Distribuida
Micro Red y cogeneración
Usos directos varios
DERECHOS RESERVADOS, D.R.-2012-CICESE ©
Encabezados de las noticias:

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LA ENERGÍA TERMOSOLAR SE INCREMENTÓ EN UN 193% EN 2011 EN ESPAÑA
LA ENERGÍA EÓLICA EN MÉXICO PODRÍA DUPLICARSE EN TRES AÑOS
TENDRÁ SORIANA 5 PLANTAS EÓLICAS
LOS ESTADOUNIDENSES, DISPUESTOS A PAGAR MÁS POR ENERGÍA LIMPIA

PLAN MAESTRO EN EL SALVADOR PARA EL DESARROLLO DE LAS ENERGÍAS
RENOVABLES

LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA ES MÁS BARATA DE LO QUE USTED PIENSA
MOLINOS EN EL FONDO DEL MAR
SUDÁFRICA Y AUSTRALIA MUESTRA CÓMO HACER LA ENERGÍA LIMPIA
CHINA CRITICA “PROTECCIONISMO” DE EU POR CELDAS SOLARES
EXPERTOS APUESTAN POR UN MODELO ECONÓMICO BASADO EN LAS
ENERGÍAS RENOVABLES
TUVALU ASPIRA A SER 100% RENOVABLE EN 2020
EE.UU. 3 000 MILLONES PARA EL DESARROLLO ENERGÍAS RENOVABLES
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ACCIONA Y MITSUBISHI SE ALÍAN PARA INVERTIR 2,000 MILLONES EN ENERGÍAS
RENOVABLES

LA REVOLUCIÓN RURAL VERDE EN CHINA
DERECHOS RESERVADOS, D.R.-2012-CICESE ©
OBJETIVOS GENERAL
INNOVATEC
Incentivar la inversión en investigación y desarrollo
tecnológico de las empresas del sector productivo del país,
mediante el otorgamiento de estímulos económicos
complementarios a las empresas que demuestren de manera
fehaciente que realizan actividades relacionadas a la
investigación y desarrollo tecnológico, con la finalidad de
incrementar su competitividad, la creación de nuevos empleos
de calidad e impulsar el crecimiento económico del país.
DERECHOS RESERVADOS, D.R.-2012-CICESE ©
La energía solar y sus
diferentes aplicaciones
Problemática
•
•
•
•
Energética
Ambiental
Económica
Social
Energías
Renovables
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Solar
Eólica
Oceánica
Biomasa
Geotérmica
Hidráulica
Tecnologías
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•
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Centralizadas
Distribuida
Micro Red y cogeneración
Usos directos varios
Debemos desarrollar nuestra propia
tecnología para aprovechar las
energías renovables y resolver
nuestros problemas energéticos,
ambientales y económicos, dando
progreso a nuestro país.
ZONAS CON MAYOR DISPONIBILIDAD DE ENERGÍA SOLAR
•
•
El sol es un recurso energético abundante en la república mexicana.
En México hay importantes nichos para la aplicación de sistemas FV:
generación distribuida conectada a red; electrificación rural; otros.
Universidad Autónoma de Baja California
Centro de Estudio de las Energías Renovables
APLICACIONES
INDUSTRIALES:
Poligeneración
A/A y refrigeración
Generación
eléctrica.
Energía
SOLAR
TECNOLOGÍAS
Generación de
calor de procesos
Industriales.
Desalación de agua
Identificar y aprovechar las oportunidades
que ofrece la energía solar.
Universidad Autónoma de Baja California
Centro de Estudio de las Energías Renovables
Aplicación
A/A y
refrigeración
Generación
eléctrica.
Energía Solar Térmica
Producción de hidrógeno (800 oC).
Detoxificación de residuos
orgánicos tóxicos.
Fotocatalicis solar (desinfección
de aire interior y tratamiento de
emisiones gaseosas).
Viviendas y edificios en general
Conservación de productos del mar.
Productos agrícolas y ganaderos.
Enfriamiento y calefacción en general.
Generación eléctrica centralizada.
Generación eléctrica distribuida.
Generación de
vapor (calor de
procesos Ind.)
Industria alimenticia.
Industria Química.
Agroindustria.
Otras.
Desalación de
agua
Agua de mar.
Agua salada de posos.
Secado y
deshidratación
Granos, frutas, especies y otros alimentos.
Madera, harina y otros prod. industriales.
Ropa y otros productos en general.
Calentamiento
de agua
Viviendas y edificios en general.
Lavanderías, restaurantes y c. comerciales.
Albercas y muchos otros usuarios.
Cocción de
alimentos
Hornos solares
Cocinas solares para zonas rurales.
Cocinas solares para restaurantes.
Entre otros.
Fundir aluminio, cobre y otros metales.
Otras aplicaciones de alta temperatura.
México debe dejar de ser un espectador y enfocarse
a desarrollar tecnología para aprovechar las
energías renovables.
El progreso del país debe estar basado en el
desarrollo de tecnología propia.
Tecnologías solares para la
generación eléctrica
TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS EMERGENTES:
 Generación eléctrica centralizada y distribuida.
 Cogeneración, trigeneración y poligeneración.
 Generación eléctrica con Micro Redes.
 Redes inteligentes.
PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD
CON ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
Sistemas de cilindro parabólico y Fresnel
Sistemas de receptor central
Sistemas de discos parabólicos con
generador de motor Stirling
Una Central Solar es aquella
instalación en la que se
aprovecha la radiación solar
para producir energía eléctrica.
Este proceso puede realizarse
mediante la utilización de un
proceso fototérmico, o de un
proceso fotovoltáico.
A NIVEL CENTRALIZADO:
Solar térmica de media y alta
temperatura
Cilindro parabólicos
Fresnel
Receptor Central
Generador
de motor
Stirling
¿CON QUE SOLUCIONES TECNOLÓGICAS SE CUENTA ACTUALMENTE?
Esquema de una central eléctrica solar con
colectores cilindro-parabólicos
TAMAÑO
APROXIMADO:
150 – 300 MWe
30 – 80 MWe
Planta PS 10 de receptor central
Nuevo sistema
Primera planta termosolar de receptor central PS 10, en Sanlúcar la Mayor (Sevilla)
SISTEMA FOTOVOLTAICO
CD
A
R
R
E
G
L
O
F
O
T
O
V
O
L
T
A
I
C
O
CONSUMO
CORRIENTE
DIRECTA
CENTRO
DE
DISTRIBUCION
CA
CONSUMO
CORRIENTE
ALTERNA
CD
10 y 30 kilowatts
CONVERTIDOR
INVERSOR
junio de 2007
BANCO DE BATERIAS
Interconectados a la red, durante la noche, la energía eléctrica es abastecida por
CFE, bonificando los excedentes entregados durante el día que no se consumieron.
PARTES DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO
Subsistema de captación (Paneles fotovoltaicos):
captación de energía solar
Tipos:
Monocritalinos rendimiento 15 a 18%
Policristalinos
12 a 14%
Amorfos
10%
Subsistema de almacenamiento (Batería)
Acumulár la energía cuando está disponible, para
utilizarla en el momento en que se solicite.
15 - 18%
Tipos:
Plomo-acido, Niquel-cadmio, Niquel-fierro, etc.
Subsistema de regulación (Regulador)
Regulación de carga y descarga de la batería y control
de las instalaciones fotovoltaicas.
Subsistema de distribución y consumo (Convertidor e inversor)
Trasladar la electricidad producida a los equipos de consumo,
adaptándola a las necesidades cuando sea necesario.
12 - 14%
10%
TECNOLOGIAS FOTOVOLTAICAS
Sistemas CPV
PLANTA PV
Generación distribuida
Sistemas FV fijos y con seguimiento en uno y dos ejes
2,3 kWp/unit
PLANTA PV
Total Capacity: 730KW
Completed Time: 2008-02
Location: - Korea
PLANTA PV
Total Capacity: 24MW
Completed Time: 2008-02
Location: Almeria - Spain
Sistemas energéticos acoplados
(integración de sistemas)
TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS:
 Ciclo combinado Rankine-Brayton
 Ciclo Rankine-Vapor/Agua caliente (Cogeneración).
 Ciclo Rankine-Desalación.
 Ciclo Rankine/Bayton con micro turbina-Enfriamiento.
 Celda de combustible-Enfriamiento.
 Sistemas híbridos de Energías Renovables.
Sistema de CO-GENERACIÓN DE E. E. y agua caliente
CO-GENERACIÓN DE E. E. Y AGUA DESTILADA
DESTILACIÓN DE
MULTIPLE EFECTO
CO-GENERACIÓN
MULTIGENERACIÓN O POLIGENERACIÓN
Con CCP
Micro-redes, una solución sustentable para un suministro energético
integral a industrias alejadas de la red (Ejemplo, Industria Minera).
Los núcleos rurales cuentan con
recursos energéticos suficientes
para autoabastecerse sin necesidad de
recurrir a los combustibles fósiles.
A/A y
refrigeración
Generación de
vapor (calor de
procesos Ind.)
Tecnologías solares para
aplicaciones térmicas
(Sistemas solares térmicos )
Desalación de
agua
Secado y
deshidratación
Calentamiento
de agua
Cocción de
alimentos
Hornos solares
TECNOLOGÍAS SOLARES TÉRMICAS:
 A/A y refrigeración
 Generación de vapor (calor de procesos Industrial)
 Desalación de agua.
 Secado y deshidratación.
 Calentamiento de agua.
 Hornos solares
COLECTORES SOLARES CON
CONCENTRACIÓN
Concentradores de cilindro parabólico CCP
(foco lineal).
Concentradores parabólicos compuestos CPC
(estacionarios o con seguidor solar).
Concentradores Fresnel (reflector o refractor con
foco puntual o lineal).
Concentradores de Disco Parabólico (foco
puntual).
Concentradores de Torre Central.
Concentrador Solar tipo Sheffler.
Concentradores de globos de plásticos
metalizados.
Entre otros menos comunes
TIPOS DE COLECTORES
SOLARES TÉRMICOS
CARACTERÍSTICAS DE
TERMOCONVERSORES
SOLARES
DIFERENTES APLICACIONES DE LOS
COLECTORES SOLARES TÉRMICOS
¿SON LAS TECNOLOGÍAS DE ENFRIAMIENTO SOLAR UNA ALTERNATIVA?
DISPONIBILIDAD DEL RECURSO SOLAR Y NECESIDADES
DE ENFRIAMIENTO COINCIDEN EN EL MISMO TIEMPO
RADIACIÓN SOLAR
ENFRIAMIENTO
TECNOLOGIAS DE ENFRIAMIENTO SOLAR
Enfriamiento solar
20°C
°C
400
Rankine
Absorción
Calor
200
Adsorción
Acondicionamiento
de
espacios
Reacción química
15°C
8°C
150
Eyecto compresor
Conservación
100
Desecantes
0 °C
Termoelectrico
Hielo
Compresion de
vapor
- 10 °C
Congelación
Electricidad
- 30 °C
Enfriamiento solar
Así se podrían ver los edificios de TELNOR en un futuro.
solar-assisted air-conditioning system
installed in CIESOL building
APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA (51%)
Más de la mitad de la energía requerida es menor a 150 oC,
Generación de vapor de agua (171 a 316 oC) D/I
Hornos solares en termomecánica (3000 oC).
Detoxificación de residuos orgánicos tóxicos.
Producción de hidrógeno (800 oC).
Agua Caliente (50 a 100 oC)
Secado y deshidratación (menor a 171 oC).
Calentamiento directo de procesos (exceden a 316 oC).
Climatización y refrigeración (50 a 220 oC)
Fotocatalicis solar (desinfección de aire interior y
tratamiento de emisiones gaseosas).
Reflector Fresnel
OPPORTUNITY
Displace conventional natural gas boilers
Industries include:
Enhanced oil recovery & refining
Chemical processing & refining
Pulp and paper
Food processing
Desalination
ADVANTAGES
Reduce fuel consumption
Reduce carbon emissions
Protect against price volatility of natural gas
Meet corporate sustainability goals
INDUSTRIAL PROCESSES
Ausra's solar steam generators can deploy quickly to provide process steam to your
operations reliably and cost effectively. They integrate simply with conventional steam
systems in retrofit and new plant designs. Our technology is a hedge against rising fuel
and emissions costs and can provide an added financial benefit in upcoming carbon
market scenarios. It's part of an integrated sustainability strategy for fuel and carbon
market risk reduction, at competitive prices.
CALENTAMIENTO DE PROCESOS INDUSTRIALES
CON CCP
MULTIGENERACIÓN O POLIGENERACIÓN
Con CCP
APLICACIONES VARIAS DE CILINDROS PARABÓLICOS
CONCENTRADOR
FOTOVOLTAICO
APLICACIONES AGRICOLAS
SECADO SOLAR
Secado de granos (arroz, trigo, etc.)
Secado de especies (pimienta, comino, etc.)
Secado de frutas (mango, uvas, etc.)
Secado de madera
Secado de carnes
Secado de harina
Entre otros.
SECADO Y DESHIDRATACIÓN SOLAR
ES UN METODO
PARA PRESERVAR
ALIMENTOS EN
ÁREA REMOTAS
SECADO DE MADERA
VARIOS MODELOS DE SECADORES SOLAR
Invernaderos Solares en Oaxaca
DESTILACIÓN SOLAR (agua potable)
UNA EXCELENTE ALTERNATIVA PARA CIERTOS LUGARES DEL PAÍS
DESALINIZACIÓN SOLAR DE AGUA
(procesos a gran escala)
¿Como podría ser un sector
industrial con tecnologías
sustentables?
SECTOR INDUSTRIAL
DEL FUTURO
con tecnologías limpias
TECNOLOGÍAS ENERGÉTICAS y de producción
sustentables (tecnologías limpias):
 Se tiene muchas alternativas de tecnologías sustentables
emergentes.
APLICACIONES DE LAS ER EN EDIFICACIONES
(Sector comercial e industrial)
CLIMATIZACIÓN (A/A y calefacción)
AGUA CALIENTE (usos varios)
ENERGÍA ELÉCTRICA CD Y CA
ILUMINACIÓN
BOMBEO DE AGUA
COMBUSTIBLES
CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS
PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE
Requerimientos especiales
TODAS ESTAS NECESIDADES PUEDEN SER CUBIERTAS CON
ENERGÍA SOLAR TÉRMICA (edificación 100% SOLAR)
PROPUESTA DE EDIFICACIONES SUSTENTABLE Y
ENERGÉTICAMENTE AUTOSUFICIENTES
Investigación aplicada y
desarrollo tecnológico,
Formación de
recurso humano
especializado y
entrenamiento
técnico
Edificaciones
Energéticamente
Aire
Sustentables
Acondicionado
Estufas
Solares
Solar
Refrigerador
Solar
H2O
Recuperación
de agua
 Diseño de edificación con arquitectura de bajo consumo energético.
Celdas de Combustible como una
opción integradora
El Ciclo de Hidrógeno
Solar
PROPUESTA PARA UN DESARROLLO SOSTENIBLE
CICLO DE HIDROGENO RENOVABLE
EL HIDROGENO ES UN PORTADOR DE ENERGÍA, NO UNA
FUENTE DE ENERGÍA, Y DEBE SER PRODUCIDO.
CAMBIO DE MODELO DEL SISTEMA ENERGETICO INDUSTRIAL
(Generación eléctrica sustentable y puerteo de la energía)
Sistema energético industrial del futuro
Red de autoabastecimiento industrial
«Seamos realistas, pidamos lo imposible………
porque quien únicamente lucha por lo posible, siempre se queda corto»
En resumen:
¿Qué se debería hacer para tener un sector
industrial sustentable en el futuro?
 Minimizar la demanda energética, consumiendo de manera responsable y
eficaz, haciendo uso de técnicas adecuadas. Gestión de la demanda.
 Producir más eficaz y racionalmente, lo que implica el uso de una fuerte
descentralización y de sistemas de energía total. Cogeneración.
 Acercar la generación al consumo, haciendo mínimo el transporte.
 Usar al máximo fuentes de energía que no modifiquen el equilibrio
energético del planeta, es decir, maximizar el uso de las energías
renovables.
 Minimizar la contaminación del entorno. Disminución de combustibles
fósiles.
 Aprovechar el tiempo de que aún se dispone de fuentes convencionales de
energía para desarrollar nuevos sistemas de producción y consumo, cada
vez más optimizados en el sentido ya indicado. Hibridación.
REFLEXION: Llegará una época en la que nuestros
descendientes se asombrarán de que ignoráramos cosas que
para ellos son tan claras…
SÉNECA, Cuestiones Naturales ; libro 7, Siglo 1º
“CUANDO ALGO ES URGENTE YA ES DEMASIADO TARDE”
Talleyrand
ENERGIAS RENOVABLES ANTE EL CAMBIO CLIMATICO
CONCLUSIONES
 Definitivamente las FRE (Solar) representan una clara oportunidad para
incrementar la competitividad y sustentabilidad de las industrias.
 EL SECTOR INDUSTRIAL NECESITA ESTABLECER UN
ESQUEMA DE DESARROLLO SOSTENIBLE CON UN
PROGRAMA ESTRATÉGICO DE TRANSICIÓN.
 Como una etapa inicial se requiere implementar medidas efectivas para
EL AHORRO Y USO RACIONAL DE LA ENERGIA.
 Se debe incrementar a corto y mediano plazo LA PARTICIPACION DE
LAS FUENTES RENOVABLES DE ENERGIA EN EL SECTOR
INDUSTRIAL, existen las tecnologías para realizar la transición de una
manera económica y segura.
GRACIAS
Gracias por su atención
Dr. Nicolás Velázquez Limón
Profesor-Investigador
Jefe del Centro de Estudio de las Energías Renovables
de Instituto de Ingeniería
Universidad Autónoma de Baja California
Dirección:
Edif. Instituto de Ingeniería, UABC
Campus Universitario
Blvd. Benito Juárez y Calle de la Normal s/n
Col. Insurgentes Este 21280, Mexicali, B. C., México
Tel/Fax (686) 5664150
Dirección Postal en USA:
Po Box 3439 Calexico, California, 99232 USA
E-Mail: nicolas.velazquez@uabc.edu.mx
http://ceener.mxl.uabc.mx
Octubre 2010