El desierto reemplazaría al petróleo

El sol que recibe 1 m2 del desierto de Sonora equivale a más de 50 focos de 100 watts, reporta Quo; el potencial de luz solar que hay en México duplica al de los líderes en captación de energía solar.
Panel solar  (Foto: SXC)
Aleida Rueda y Javier Crúz

Visto desde arriba, el paisaje es extraordinario. Decenas de espejos de cara al cielo brotan de la tierra cual girasoles en pleno verano. Cada uno sigue la trayectoria del Sol a ritmo robótico, moviéndose lenta y uniformemente. Todos, dispuestos alrededor de una torre gigantesca, tienen una deslumbrante tarea: recibir los rayos del Sol para dirigirlos a la torre central.

No se trata de una locación de película hollywoodense, sino de la maqueta de un proyecto que promete aprovechar la energía solar con más ciencia que efectos especiales, aunque basado en una idea tan atractiva y rentable como las películas de Spielberg: captar las cantidades colosales de energía que nos llegan en forma de radiación solar, procesarlas con una buena dosis de ingenio y conocimiento científico y transformar esa energía luminosa en corriente eléctrica buena, bonita y barata.

Con esto, el grupo de investigadores de la Universidad de Sonora (Unison) y de la UNAM, que dirige el proyecto, incursiona en una carrera en la cual podría jugarse no sólo la estabilidad ambiental del planeta sino acaso una buena parte del liderazgo económico. De acuerdo con Steven Chu, premio Nobel de Física y secretario de Energía del gobierno de Barack Obama, la energía del Sol que recibe la Tierra en una hora -unos 12 x 1015 kilowatts, que equivaldrían a la producción total de energía eléctrica de 3,000 países como EU en un año- serviría para suministrar energía a toda la humanidad durante un año entero.

De ser así, la energía solar sobre los desiertos (que abarcan 36 millones de km2 de un total de 149 millones de km2 de superficie terrestre) podría resolver la crisis de hidrocarburos. De acuerdo con un informe del doctor Gerhard Knies para la Fundación Desertec, un kilómetro cuadrado de desierto promedio recibe al año 2.2 billones de kilowatts hora (KWh) de energía, que equivaldría a la proveniente de 1.4 millones de barriles de petróleo. De hecho, según el Centro Aerospacial Alemán, "con el sol que cae en 6,000 km2 del desierto del norte de África se obtendría la energía equivalente a toda la producción de combustible de Medio Oriente".

Cifras así dan para tomar muy en serio la producción de electricidad, en escala industrial, con la técnica de concentración solar (CSP, por sus siglas en inglés), incluso en zonas no particularmente conocidas por su luminosidad. En Europa, por ejemplo, Alemania y España son líderes en producción de tecnología y desarrollo de plantas CPS, y China tiene ya una instalada, según informes de su Ministerio de Ciencia y Tecnología.

También en México los desiertos podrían satisfacer de sobra los requerimientos energéticos. Con más de un millón de kilómetros cuadrados de zonas áridas y semiáridas (aproximadamente el 49.1% de la superficie nacional) se obtendría la energía equivalente a 1.4 billones de barriles de petróleo en un año. Basta saber lo que saben los investigadores de la UNAM y la Unison para tomarnos el reto en serio: "Con el sol que recibe el 0.3% de la superficie de Sonora -unos 604 km2- podría generarse todo el consumo eléctrico nacional (203,638 gigawatts hora [GWh] en 2007, según la Secretaría de Energía)", señala Claudio Estrada, director del Centro de Investigaciones en Energía de la UNAM (CIE).

¿Qué nos separa de los otros países, que hacen realidad aquellas cifras aparentemente inverosímiles? Estrada lo resume en dos palabras: captación eficiente. Captación de radiación solar y captación de talento humano para desarrollar la tecnología que produzca voltaje explotable a partir de luz de día.

Se trata básicamente de mejorar las tecnologías disponibles, capacitar a los científicos que las desarrollen y, por supuesto, tener el capital financiero para construirlas y continuarlas, según el propio Estrada, quien tiene a su cargo el proyecto de Sonora.

Espejito, espejito

El mismo año en que los investigadores mexicanos anunciaron su proyecto (2007), la planta más importante en el mundo de concentración de energía solar de tipo Receptor Central, instalada en Sanlúcar la Mayor, cerca de Sevilla, entró en operación.

El principio técnico en ambos casos es el mismo: el uso de helióstatos (del griego helios, sol, y statos, fijación). "Es un conjunto de espejos planos soportados por una estructura que permite el movimiento en dos ejes, lo que hace que el espejo pueda desplazarse siguiendo al Sol", explica Estrada.

La idea es a la vez simple y ambiciosa: concentrar la energía y transformarla.

Orientados estratégicamente en el terreno de insolación, los espejos reflejan los rayos solares para concentrarlos (de ahí el nombre de la tecnología) en un volumen relativamente pequeño en lo alto de una torre central receptora. Una vez ahí, la energía solar se puede convertir en electricidad mediante procesos térmicos y mecánicos. Primero, la energía concentrada en la punta de la torre calienta un fluido (generalmente un aceite seleccionado por sus propiedades de captación térmica) a temperaturas que pueden subir hasta 600ºC, dependiendo de la cantidad de helióstatos y la superficie que cubran. Circulando por el interior de la torre, este fluido intercambia calor con el agua que fluye en sentido opuesto (sin mezclarse), hasta obtener el vapor a presión con el que se accionan las aspas de una turbina acoplada a un generador convencional de electricidad. Desde el punto de vista ambiental, el gran mérito de este diseño es que genera la misma clase de vapor que una planta termoeléctrica, pero sin quemar ningún combustible.

En la plataforma sevillana de Sanlúcar, jocosamente llamada Sol-úcar, el proceso es tan efectivo que con los 624 helióstatos en funcionamiento se genera el vapor presurizado que produce un ciclo eléctrico convencional con 11 MW (megawatts) de capacidad, según estimaciones de la empresa constructora, Abengoa Solar. Sin embargo, esto es nada más un adelanto, pues actualmente sólo funcionan dos de las cinco plantas proyectadas. Se espera que para 2013 la plataforma de Solúcar tenga un rendimiento pleno de 300 MW de potencia, suficientes para abastecer de energía a toda la ciudad de Sevilla.

El proyecto mexicano, en contraste, apenas está amaneciendo. Aunque ya va calentándose el plan de construir en 2010 una planta experimental con 200 helióstatos (similar a Solúcar, pero a menor escala), hasta ahora los esfuerzos se concentran en hacer un campo de pruebas experimental de 400 m2 con 40 helióstatos, para verificar el funcionamiento y medir la eficiencia de los espejos.

"Queremos recorrer el camino que recorrieron nuestros colegas españoles", señala Estrada. "Si no lo hacemos, vamos a terminar comprando la tecnología"; justo lo que no hizo Abengoa en Solúcar, en cuya página de Internet se lee que la empresa "manufactura sus propios componentes para las instalaciones de concentración de energía solar (helióstatos, estructuras y espejos)".

Por lo pronto, la Universidad de Sonora ya creó los dos primeros helióstatos 100% mexicanos. Se produjo un prototipo de 6 m2 y otro escalado a 36 m2, que podrá funcionar en el campo experimental planeado para construirse en el Parque Tecnológico TxTec de la Unison, en Hermosillo. "Resta preparar el terreno, planear el tamaño de la torre, los sistemas de control y la adquisición de datos para la evaluación de los helióstatos", dijo Estrada.

Aunque la maqueta del proyecto de Sonora -y, de hecho, el paisaje actual de Solúcar- tiene pinta de locación de película, esa vista ayuda a que la idea de que el Sol nos puede sacar de apuros, en especial a países en desarrollo con muchas horas diarias de insolación, tenga sentido.

 

Sonora al frente

Tener energía solar en abundancia ciertamente ayuda a darle ese sentido, pero es necesario cuantificarla para documentar la competitividad de su explotación frente a las alternativas convencionales. Tanto para éstas como para las renovables, los ingenieros recurren a un lenguaje técnico que se desvena con una dosis de termodinámica a la antigüita.

La radiación solar calienta una superficie porque le transmite energía. Esta energía es tratada por los técnicos con el KWh, equivalente a lo que emitirían 10 focos de 100 watts en una hora. Como la energía del Sol cae sobre superficies delimitadas y por tiempos acotados, el potencial de un sitio específico se estima por metro cuadrado de superficie y por día de insolación.

Cuando Claudio Estrada dice que la insolación promedio sobre México es de 5 KWh/m2/día, debe interpretarse como si cada metro cuadrado del país recibiese, en promedio diario, la potencia de 50 focos de 100 watts.

Pues bien: aunque eso es ya bastante, Sonora lo supera. De acuerdo con los cálculos de Ignacio Galindo, investigador de la Universidad de Colima, los sonorenses reciben una insolación mayor a los 6 KWh/m2/día promedio, y resulta que aunque eso es apenas un kilowatt hora más que el promedio nacional, lo coloca en la lista de los estados con mayor potencial eléctrico.

Más aún, el potencial de Sonora rebasa también al de los líderes en captación de energía solar, como España y Alemania. Según datos del Sistema Geográfico de Información Fotovoltáica de la Comisión Europea, Sevilla (el hogar de Solúcar) recibe una insolación de 4.7 KWh/m2/día, mientras que Leipzig, Alemania (donde se encuentra una de las plantas solares más importantes del mundo), recibe 2.7 KWh/m2/día. No hay vuelta de hoja: Sonora los supera con 1.3 y 3.3 KWh/m2/día, respectivamente. Y esta ventaja numérica viene acompañada de la ventaja operativa que se deriva de la duración del día, porque mientras que la mayoría de las ciudades alemanas reciben 4 horas diarias de insolación en promedio, Sonora tiene de 7 a 8 horas al día, de marzo a octubre.

Hay, pues, mucho sol en Sonora y en todo México. Ninguna ciudad europea nos supera y, sin embargo, los beneficiados son ellos. La capacidad instalada para producir electricidad a partir de energía solar de los alemanes es, por ejemplo, miles de veces más que la que tiene México (10,234 MW vs 16 MW). Irónico: siendo un país con un territorio 72% más pequeño que el nuestro, su capacidad de producción eléctrica a partir del Sol equivale a una sexta parte de toda nuestra capacidad de generación eléctrica instalada.

Estos datos dejan dos cosas claras: primero, que el potencial de luz solar que tenemos en México duplica el que tiene Alemania; y segundo, que todo ese potencial se queda literalmente en el aire, porque nuestra capacidad para recuperar la energía solar anda por los suelos.

Cuestionado respecto de lo que haría falta para montar un Solúcar a la mexicana, Claudio Estrada habla de puras cosas al alcance: recursos humanos, industriales que inviertan en este tipo de proyectos, inversión pública para generar los grupos de investigación y de desarrollo de esta tecnología. "Ni Pemex ni CFE [Comisión Federal de Electricidad] se dedican a desarrollar tecnología; la usan, pero no la desarrollan. Eso toca a las universidades y los centros de investigación, como nosotros. Y eso es lo que estamos tratando de hacer".

Las tecnologías para generar vapor con energía térmica y extraer energía mecánica del vapor para mover la turbina no requieren de mayor investigación. En cambio, la construcción de los helióstatos es más compleja. Por eso, el haber creado ya los primeros en México es un paso pequeño pero importantísimo. Según un informe de Carlos Ramos Berumen, del Instituto de Investigaciones Eléctricas de la CFE (IIE-CFE), "el helióstato representa entre el 40 y el 50% de la inversión total de una planta de Receptor Central (...). Los helióstatos que se han manufacturado a la fecha han sido relativamente pocos y a un costo elevado (más de 250 dólares/m2)".

Ahí donde la concentración solar tiene ya un mercado, los costos se reducen significativamente. En Estados Unidos los helióstatos se cotizaban a 150 dólares/m2 desde 1995, un 40% menos de lo que hoy se cotizan en México. Por tanto, la capacidad propia de manufacturarlos debería reducir sus costos significativamente. Eso espera Estrada: "Por tratarse de tecnología hecha en casa, la creación de estos helióstatos tuvo un alto costo de producción, pero esperamos que en un tiempo el precio de los nuestros sea equiparable con el de los comerciales".

Hay que decir, no obstante, que los helióstatos todavía pertenecen a la generación de materiales de colección solar rígidos que requieren un soporte de estructura móvil para permitirles seguir la luz solar. En agosto del 2008, científicos del Laboratorio Nacional de Idaho, del Departamento de Energía de Estados Unidos, inventaron un plástico constituido por nanoantenas flexibles, materiales base de lo que será una nueva generación de colectores más baratos y que podrían mejorar la eficiencia de cualquier sistema de colección solar, como el de Sonora.

Leyes sin financiamiento

Que Solúcar sea el líder en energía solar no es fortuito. Para que España y otros países se plantearan generar electricidad a partir del Sol, no sólo pasaron años de investigación sino también un periodo de transición y análisis.

España tiene desde 1999 un Plan de Energías Renovables que estima que para 2010 el 12% del consumo de energía primaria debe provenir de fuentes alternativas. Lograrlo es difícil, ya que el gobierno da pocos incentivos fiscales y de desregulación. No es como en EU, donde la administración federal cubre hasta el 45% de la inversión. De cualquier modo, el que el gobierno español obligue a las empresas a comprar el KWh de fuentes alternativas ha ayudado a mejorar y desarrollar nuevos proyectos.

En México, las leyes referentes a las energías renovables van incluso más lentas que el desarrollo tecnológico. El 28 de noviembre del 2008 por fin se publicaron dos leyes que buscan promover la "utilización, desarrollo, y la inversión en las energías renovables", así como "propiciar la investigación científica y tecnológica en materia de aprovechamiento sustentable de energía". De ahí podría inferirse que el campo de prueba de helióstatos tendría el financiamiento resuelto. No es así...

El proyecto del CIE y la Unison, que incluye un horno solar y una planta solar para el tratamiento de aguas residuales, tiene un costo total de casi 40 millones de pesos. "Conacyt nos dio 18 millones de pesos, la UNAM dará el resto y la Unison aportará el terreno, que incluye una torre central y un laboratorio de control", detalla Estrada. Sin embargo, la segunda fase del proyecto no tiene todavía el financiamiento asegurado. "Habrá que basarnos en la nueva ley para conseguirlo".

Mientras, nuestros helióstatos mexicanos no podrán competir con Solúcar. El prometedor estreno de Sun-ora seguirá en maqueta.


La solución verde


Se llama energía verde a aquella que es amigable con el medio ambiente y proviene de fuentes renovables como el Sol o el viento, e implica bajas emisiones de bióxido de carbono, uno de los gases invernadero con mayor responsabilidad en el calentamiento global.

La forma de generar energía eléctrica en México está lejos de ser verde: el 73.6% se genera mediante la quema de combustibles fósiles, según el reporte "Prospectiva del sector eléctrico 2008-2017", de la Secretaría de Energía. El resto corresponde a fuentes alternas; la hidroeléctrica es la más importante, misma que  aporta el 26.4%.

En 2008, sin contar el consumo de gas natural de productores externos de electricidad, se quemaron 66.7 millones de barriles de combustóleo, 1.6 millones de barriles de diesel, 10.8 millones de toneladas de carbón y 345 mil 593 millones de pies cúbicos de gas natural.

El 46.7% de la electricidad generada se produce con gas.


Antenitas de vinil


Hasta ahora, y durante casi 100 años, las celdas solares (o fotoeléctricas) habían sido amas y señoras de la colección solar, capaces de convertir la luz del Sol en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico (cuando el material de las celdas, en este caso un metal como el silicio, expide electrones, luego de que estos han absorbido los fotones de luz provenientes del Sol). Estas celdas tienen dos inconvenientes: sólo utilizan la luz visible y se vuelven prácticamente inútiles cuando oscurece.

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En el Laboratorio Nacional de Idaho, del Departamento de Energía de EU, un grupo de investigadores desarrolló un material que puede recolectar energía calorífica aun sin que brille el sol. Se trata de un plástico constituido por millones de nanoantenas, diminutos cuadrados o espirales de oro, que colectan la radiación infrarroja que emana del suelo o de diversos aparatos. Las nuevas nanoantenas prometen eficiencias de ensueño: a través de modelos computacionales, los investigadores descubrieron que, usando un buen material, las nanoantenas pueden captar hasta el 92% de la energía transportada por los rayos infrarrojos.

 

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