¿Qué son las energías limpias?


Son aquellas fuentes de energía y procesos de generación de electricidad cuyas emisiones o residuos, cuando los haya, no rebasen los umbrales establecidos en las disposiciones reglamentarias que para tal efecto se expidan. Entre las energías limpias se consideran las siguientes (Figura 1):

  1. El viento;
  2. La radiación solar, en todas sus formas;
  3. La energía oceánica en sus distintas formas: maremotriz, maremotérmica, de las olas, de las corrientes marinas y del gradiente de concentración de sal;
  4. El calor de los yacimientos geotérmicos;
  5. Los bioenergéticos que determine la Ley de Promoción y Desarrollo de los Bioenergéticos;
  6. La energía generada por el aprovechamiento del poder calorífico del metano y otros gases asociados en los sitios de disposición de residuos, granjas pecuarias y en las plantas de tratamiento de aguas residuales, entre otros;
  7. La energía generada por el aprovechamiento del hidrógeno mediante su combustión o su uso en celdas de combustible, siempre y cuando se cumpla con la eficiencia mínima que establezca la CRE y los criterios de emisiones establecidos por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales en su ciclo de vida;
  8. La energía proveniente de centrales hidroeléctricas;
  9. La energía nucleoeléctrica;
  10. La energía generada con los productos del procesamiento de esquilmos agrícolas o residuos sólidos urbanos (como gasificación o plasma molecular), cuando dicho procesamiento no genere dioxinas y furanos u otras emisiones que puedan afectar a la salud o al medio ambiente y cumpla con las normas oficiales mexicanas que al efecto emita la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales;
  11. La energía generada por centrales de cogeneración eficiente en términos de los criterios de eficiencia emitidos por la CRE y de emisiones establecidos por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales;
  12. La energía generada por ingenios azucareros que cumplan con los criterios de eficiencia que establezca la CRE y de emisiones establecidos por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales;
  13. La energía generada por centrales térmicas con procesos de captura y almacenamiento geológico o biosecuestro de bióxido de carbono que tengan una eficiencia igual o superior en términos de kWh-generado por tonelada de bióxido de carbono equivalente emitida a la atmósfera a la eficiencia mínima que establezca la CRE y los criterios de emisiones establecidos por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales;
  14. Tecnologías consideradas de bajas emisiones de carbono conforme a estándares internacionales, y
  15. Otras tecnologías que determinen la Secretaría de Energía y la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales, con base en parámetros y normas de eficiencia energética e hídrica, emisiones a la atmósfera y generación de residuos, de manera directa, indirecta o en ciclo de vida.
Clasificación de las fuentes de energía limpia y las tecnologías asociadas.
Figura 1. Clasificación de las fuentes de energía limpia y las tecnologías asociadas.
Nota: En el primer nivel tenemos a las fuentes de energía y en segundo nivel tenemos a las tecnologías.

¿Qué es la energía solar?


El sol es nuestra fuente de energía primaria y es el principal precursor de los procesos naturales como: la fotosíntesis en las plantas, las corrientes de aire, la evaporación de las aguas superficiales, la formación de nubes, las lluvias y por consiguiente, el origen de otras fuentes de energía renovable, como el viento, las olas o la biomasa. Su calor y su luz son la base de numerosas reacciones químicas indispensables para el desarrollo de las plantas, de los animales y en definitiva, para que exista vida sobre la Tierra, por tanto, la principal fuente de energía para todos los procesos que tienen lugar en nuestro planeta.

En un año la cantidad de energía solar que llega a la Tierra, atravesando la atmósfera es de aproximadamente 33% de la energía total interceptada por la Tierra fuera de la atmósfera, y de ésta, el 70% se concentra en los mares [1]. Sin embargo, la energía que incide durante un año sobre tierra firme, es igual a varios miles de veces el consumo energético mundial actual. En este documento al referirse a la energía solar, se hace alusión a la energía eléctrica obtenida mediante la transformación a calor, que a su vez es convertida a electricidad, o bien directamente a electricidad. La Figura 2 describe los métodos empleados para convertir la energía solar en eléctrica.

Clasificación de los métodos de conversión de energía solar en eléctrica.
Figura 2. Clasificación de los métodos de conversión de energía solar en eléctrica.

Energía fotovoltaica

Se aprovecha directamente la energía del sol para generar electricidad con base al fenómeno fotoeléctrico, a través del cual ciertos dispositivos fabricados con semiconductores son capaces de convertir la “luz” del sol en electricidad. Al dispositivo donde se realiza dicho fenómeno se le llama celda fotovoltaica [1].


Panel convencional

Conjunto de celdas fotovoltaicas conectadas entre sí, que generan electricidad de corriente contínua (Figura 3). Los paneles fotovoltaicos convencionales pueden ser divididos en dos grandes categorías: Silicio Cristalino, los cuales se subdividen en dos grandes categorías, a) Monocristalinos y b) Policristalinos; y Thin Films, los cuales se subdividen en tres familias, I) Silicio amorfo y Microamorfo, II) Telurio de cadmio y III) Diseleniuro de indio y cadmio [1].

Modelo conceptual de un panel solar fotovoltaico convencional.
Figura 3. Modelo conceptual de un panel solar fotovoltaico convencional.

Concentración fotovoltaica

La concentración de energía solar fotovoltaica, consiste en una tecnología que utiliza un captador óptico para concentrar una gran cantidad de radiación solar en una celda fotovoltaica (Figura 4), entre 250 y 1,000 veces más que en una celda fotovoltaica convencional, utilizando sólo 1 cm2 de celdas por unidad [2]. Es por esto que la eficiencia de este sistema es alta y su rendimiento no se ve afectado por el aumento de la temperatura.

Desde los años 70´s esta tecnología está en etapa de investigación y desarrollo, sin embargo desde hace algunos años es posible encontrarla comercialmente pero a altos costos; no obstante, la investigación y el desarrollo actual está tratando de mejorar esta tecnología.

Figura 4. Modelo conceptual de una celda de concentración fotovoltaica.
Figura 4. Modelo conceptual de una celda de concentración fotovoltaica.

Energía termosolar

La energía termosolar, también conocida como fototérmica o de concentración térmica, genera energía eléctrica mediante el uso de espejos para concentrar la energía solar, de modo que se calienta un fluido, que posteriormente se emplea para generar vapor, que al pasar a través de una turbina se genera electricidad [2].

Actualmente, las tecnologías de generación eléctrica mediante pueden agruparse en cuatro categorías principales; dependiendo de la manera en la que enfocan los rayos solares y la tecnología empleada para recibir la energía solar [2].


Cilindro parabólico

Consiste en un semi-cilindro de espejos que concentran los rayos solares sobre una tubería central por la cual circula un fluido que transporta el calor; frecuentemente un aceite sintético (Figura 5). Para la acumulación de la energía se utilizan sales fundidas. Los principales componentes de esta tecnología son los espejos o reflectores, el tubo receptor del sistema de conversión de energía, el sistema de enfriamiento y el fluido de trabajo [2].

Esta tecnología es la más madura y común de los sistemas termosolares disponibles en la actualidad; en muchos casos con grandes sistemas de almacenamiento, aunque sigue en desarrollo para lograr mejoras en su rendimiento.

Figura 5. Modelo conceptual del aprovechamiento térmico del cilindro parabólico.
Figura 5. Modelo conceptual del aprovechamiento térmico del cilindro parabólico.

Lineal fresnel

Se basa en la concentración de los rayos solares utilizando largas filas de espejos planos, o levemente curvos, que se orientan hacia un reflector secundario de manera que se reflejen los rayos solares en un receptor lineal fijo, en el cual circula un fluido de trabajo generando directamente vapor saturado (Figura 6).

La ventaja de esta tecnología es el diseño relativamente simple de los espejos, lo que puede implicar reducción de costos. Es uno de los conceptos más recientemente surgidos, por lo que no se ha alcanzado su pleno estado de madurez, aunque es posible encontrar su aplicación comercial.

Figura 6. Modelo conceptual del aprovechamiento térmico tipo Lineal Fresnel.
Figura 6. Modelo conceptual del aprovechamiento térmico tipo Lineal Fresnel.

Torre de concentración

Las torres solares, o sistemas de recepción central, utilizan cientos de miles de reflectores pequeños para concentrar los rayos solares en un receptor central ubicado en lo alto de una torre fija (Figura 7). Algunas plantas de torre en operación utilizan generación directa de vapor en sus receptores, mientras que otras emplean sal fundida como el fluido de transferencia de calor y como medio de almacenamiento. El poder de concentración del concepto de torre alcanza temperaturas sumamente altas, aumentando así la eficiencia con la cual el calor es transformado en electricidad, reduciendo los costos de almacenamiento térmico [2]. Además, el diseño es altamente flexible, permitiendo a los diseñadores escoger entre una gran variedad de helióstatos, receptores, fluidos de transferencia y bloques de poder. Algunas plantas cuentan con varias torres que alimentan un bloque de potencia.

Las partes básicas que conforman el sistema son los espejos, la torre de concentración, el sistema de conversión de energía térmica en eléctrica, el sistema de enfriamiento y el fluido de trabajo. Las perspectivas indican que los principales diseños están siendo propuestos considerando una o varias torres y alternativas de diseños de receptores, así como diversas opciones de fluidos transportadores de calor y sistemas de almacenamiento.

Actualmente, los campos solares con miles de pequeños helióstatos son una alternativa de menor costo para el diseño de campos, aunque cuentan con la complejidad adicional asociada al sistema de seguimiento de espejos y los sistemas de emergencia para los cambios de temperatura del receptor.

Figura 7. Modelo conceptual de una central solar térmica tipo Torre de Concentración.
Figura 7. Modelo conceptual de una central solar térmica tipo Torre de Concentración.
Fuente: www.unesa.es

Disco parabólico

Los discos parabólicos concentran los rayos solares hacia un punto focal ubicado en su centro. El aparato completo sigue al sol, con el disco y el receptor moviéndose en conjunto, ofreciendo la mayor eficiencia en sistemas de baja capacidad de generación. El calor es absorbido en un motor tipo Stirling de alta eficiencia, con hidrógeno o helio y que cuenta con un sistema de enfriamiento que usa un fluido que trabaja en ciclo cerrado [2]. La mayoría de los discos cuentan con un generador independiente en el foco, lo que elimina la necesidad de un fluido de transferencia y agua de enfriamiento.

Una serie de características, como su tamaño compacto, ausencia de agua de enfriamiento, entre otras, los ponen en competencia con módulos fotovoltaicos, así como también con otras tecnologías Termosolares.

Es una tecnología que se encuentra en etapa de desarrollo y mejoramiento, aunque algunos sistemas llevan 20 años en funcionamiento.

¿Qué es la energía de biomasa?


También conocida como bioenergía, es la energía obtenida de la materia orgánica constitutiva de los seres vivos, sus excretas y sus restos no vivos [3] La formación de biomasa se da partir de la energía solar, la cual se lleva a cabo por el proceso denominado fotosíntesis. Mediante la fotosíntesis, las plantas que contienen clorofila, transforman el dióxido de carbono y el agua de productos minerales sin valor energético, en materiales orgánicos con alto contenido energético y que a su vez sirven de alimento para otros seres vivos. Mediante este proceso se almacena la energía solar en forma de biomasa. La energía almacenada en el proceso fotosintético puede ser posteriormente transformada en energía térmica, eléctrica o como carburantes de origen vegetal.


Procesos de conversión de la biomasa en energía eléctrica

Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, la biomasa se caracteriza por tener un bajo contenido de carbono, un elevado contenido de oxígeno y compuestos volátiles [4]. El poder calórico de la biomasa depende mucho del tipo de biomasa considerada y de su humedad. Así, normalmente estos valores de poder calórico de la biomasa se pueden dar en base seca o en base húmeda.

Cabe destacar que desde el punto de vista ambiental, el aprovechamiento energético de la biomasa no contribuye al aumento de los gases de efecto invernadero, dado que el balance global de las emisiones de CO2 a la atmósfera es neutro. Al contrario, en el caso de los combustibles fósiles, el carbono que se libera a la atmósfera es el que está fijo a la Tierra desde hace millones de años.

Desde el punto de vista energético, resulta conveniente clasificar la biomasa en dos grandes grupos (Figura 8) y tres procesos de conversión (Figura 9).

Figura 8. Clasificación de los distintos tipos de biomasa disponibles.
Figura 8. Clasificación de los distintos tipos de biomasa disponibles.

La biomasa seca

Es aquella que puede obtenerse en forma natural con un contenido de humedad menor al 60%, como la leña, paja, el bagazo de caña, etc. Ésta puede ser utilizada mediante procesos Termoquímicos, que producen directamente energía térmica o co-productos en la forma de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos [4].


La biomasa húmeda

Se denomina así cuando el porcentaje de humedad supera el 60% [4], por ejemplo en los residuos vegetales, residuos animales, vegetación acuática, etc. Resulta especialmente adecuada para su tratamiento mediante procesos bioquímicos, o en algunos casos particulares, mediante simples procesos fisicoquímicos, obteniéndose combustibles líquidos y gaseosos.

Hay que aclarar que esta clasificación es totalmente arbitraria, pero ayuda a visualizar la caracterización de los procesos de conversión.

Figura 8. Clasificación de los distintos tipos de biomasa disponibles.
Figura 9. Principales procesos de conversión de la biomasa en energía.
Fuente: IES. “Cristóbal de Monroy”, Dpto. de Tecnología.

Procesos termoquímicos

En un sentido general, la conversión termoquímica de la biomasa se refiere a la reacción química mediante la cual se libera energía directamente, o se convierte la biomasa en un combustible gaseoso o líquido [5]. Por tanto, comprenden básicamente la combustión directa, gasificación, pirólisis y licuefacción (Figura 10); encontrándose esta última aún en etapa de desarrollo.

Figura 10. Procesos termoquímicos de conversión de biomasa.
Figura 10. Procesos termoquímicos de conversión de biomasa.

Procesos bioquímicos

Los procesos bioquímicos se basan en la degradación de la biomasa por la acción de microorganismos y pueden dividirse en dos grandes grupos: los que se producen en ausencia de aire (anaeróbicos) y los que se producen en presencia de aire (aeróbicos).


La digestión anaeróbica

La digestión anaeróbica, emplea residuos animales o vegetales con una baja relación carbono/nitrógeno, la digestión se realiza en un recipiente cerrado llamado digestor (Figura 11) y da origen a la producción de un gas combustible denominado como biogás [4].

El biogás, constituido básicamente por metano (CH4 ) y dióxido de carbono (CO2) [3], es un combustible que puede ser empleado de la misma forma que el gas natural.

Figura 11. Esquema de digestión anaeróbica para la obtención de biogás.
Figura 11. Esquema de digestión anaeróbica para la obtención de biogás.

Fermentación aeróbica

La fermentación aeróbica de biomasa con alto contenido de azúcares o almidones, da origen a la formación de alcohol (etanol), que además de sus usos en medicina y licorería, es un combustible líquido de características similares a los que se obtienen por medio de la refinación del petróleo [4].

La materia prima más utilizada para la producción de alcohol es la caña de azúcar, mandioca, sorgo dulce y maíz.


Procesos fisicoquímicos

La ruta de conversión fisicoquímica produce un biocombustible líquido a partir de la biomasa que contiene aceite vegetal. Esta tecnología es similar a las rutas de conversión para producir aceite vegetal en la industria alimenticia.

El aceite vegetal se produce al prensar y extraer el aceite de la semilla; de manera que sólo se pueden usar oleaginosas, como la semilla de colza, el girasol, el fríjol de soya, el aceite de palma, etc.

¿Qué es la energía eólica?


La energía eólica se obtiene a partir de la energía cinética del viento generada gracias al movimiento de las corrientes de aire ocasionadas por el calentamiento no uniforme de la Tierra (Figura 12).

El viento se puede definir como una corriente de aire, resultante de las diferencias de presión en la atmósfera, provocadas en la mayoría de los casos por variaciones de temperatura, debidas a las diferencias de la radiación solar en los distintos puntos de la Tierra [6].

El aire tiene una masa, que aunque pequeña, es cuantificable y que por lo tanto, cuando está en movimiento posee la energía de todo cuerpo moviéndose, conocida como energía cinética.

Desde hace siglos el ser humano ha aprovechado la energía eólica para diferentes usos: molinos, transporte marítimo mediante barcos de vela, serrerías, entre otros, pero en la actualidad su uso es casi exclusivo para la obtención de electricidad.

Figura 12. Esquema de las causas de la energía eólica.
Figura 12. Esquema de las causas de la energía eólica.
Fuente: NASA (NOAA, 1984).

Los aerogeneradores

Las turbinas eólicas o aerogeneradores son los dispositivos que transforman la energía cinética del viento en energía mecánica para impulsar un generador eléctrico.

El viento incide sobre las palas del aerogenerador y lo hace girar; este movimiento de rotación se transmite al generador. El generador producirá una corriente eléctrica que se envía hasta las líneas de transporte.

Los elementos principales de un aerogenerador son los siguientes (Figura 13):

  • Soporte o torre
  • Palas o aspas
  • Eje motriz de alta velocidad
  • Multiplicador
  • Generador
Figura 13. Modelo conceptual de un aerogenerador.
Figura 13. Modelo conceptual de un aerogenerador.

Existen turbinas de muchas capacidades, desde 500 W, hasta más de 7 MW, Las de mayor capacidad están destinadas principalmente a granjas eólicas marinas.

Actualmente existen dos tipos de aerogeneradores disponibles para convertir la energía cinética del viento en electricidad:

Aerogenerador de eje horizontal

Es el concepto para producir energía eólica que se ha implantado a lo largo de los años; consiste en colocar el eje del aerogenerador en paralelo a la trayectoria del viento y con las palas girando en un plano perpendicular al suelo.

  • De potencia baja o media (<50 kW): Suele tener muchas palas (hasta veinticuatro). Se utiliza en el medio rural y como complemento para viviendas [7].
  • De alta potencia (> 50 kW): Suele tener como máximo cuatro palas de perfil aerodinámico, aunque normalmente tiene tres. Necesita vientos de más de 5 m/s [7]. Tiene uso industrial, disponiéndose en parques o centrales eólicas.

Aerogenerador de eje vertical

Su desarrollo tecnológico está menos avanzado que las de eje horizontal y su uso es escaso, aunque tiene perspectivas de crecimiento [7]. A diferencia del aerogenerador de eje horizontal, las palas de este aerogenerador giran en un plano paralelo al suelo. No necesitan orientación y ofrecen menos resistencia al viento.

Así como otras fuentes de energía renovable, la energía eólica presenta ventajas importantes para cualquier matriz energética debido a sus costos de producción, ya que no produce emisiones de gases de efecto invernadero y no está sujeta a la volatilidad de los precios de los combustibles. En cambio, presenta desventajas en su intermitencia, la distancia entre las zonas de viento y las redes eléctricas, la contaminación visual y auditiva que produce y el impacto que puede tener sobre las aves que habitan en la zona o utilizan este recurso como una guía en sus migraciones anuales. Sin embargo se ha invertido mucho en investigación y desarrollo en los últimos años para reducir las desventajas que en la actualidad presenta esta tecnología. Prueba de ello es que existen diversas estrategias para solucionar el problema de la intermitencia, como el desarrollo de modelos de pronósticos climatológicos o el respaldo con otras fuentes como la energía solar o hidráulica y el almacenamiento de energía.

¿Qué es la energía hidráulica?


La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía cinética y potencial del agua. El origen de la energía hidráulica ocurre principalmente por el “ciclo hidrológico” que tiene su origen a partir de la radiación del sol que incide sobre la Tierra (Figura 14). A medida que se calienta el agua de los mares se forman las nubes. La mayoría de las nubes descargan en forma de lluvia en el mar mientras que el viento mueve el resto hacia los continentes. La lluvia, al caer, se infiltra parcialmente en el subsuelo, mientras que otra parte se evapora y el resto escurre formando arroyos en las montañas, para posteriormente formar ríos y seguir su curso hasta el mar.

Figura 14. Ciclo hidrológico.
Figura 14. Ciclo hidrológico.

Por lo tanto, la energía hidráulica se obtiene a partir de la energía cinética y potencial, de un río o arroyo, formado por el flujo de una masa de agua que escurre por su cauce, desde las partes altas o montañosas hasta las planicies costeras. Esta energía se transforma en electricidad al circular agua a presión a través de una turbina para producir energía mecánica. Las turbinas transmiten la energía mecánica de su rotación, mediante un eje, a un generador de electricidad [8].

La generación de energía a partir de una corriente de agua es la forma de energía renovable más usada en el mundo para generar electricidad. La mayoría es producida con centrales de gran escala que utilizan presas y embalses grandes los cuales pueden almacenar una gran cantidad de agua para regular la generación. Estas centrales tienen la capacidad de generar cantidades considerables de electricidad en forma constante durante ciertos períodos pero también causan impactos ambientales y sociales. Sin embargo también existen sistemas a pequeña escala, las cuales son conocidas como centrales “al hilo del agua” ya que no requieren de un embalse, por lo tanto no causan estos problemas y pueden contribuir a brindar el servicio de electricidad en zonas no electrificadas y fortalecer la red interconectada.

En la actualidad existen diversas clasificaciones para las hidroeléctricas en función de su uso y su capacidad instalada (Tabla 1), sin embargo la legislación en México a través de la Ley de Transición Energética solo considera como renovables aquellas centrales menores o iguales a 30 MW o aunque superen dicha capacidad pero que su densidad de potencia, definida como la relación entre capacidad de generación y superficie del embalse, sea superior a 10 Watts/m2.

Tabla 1. Clasificación de las centrales hidroeléctricas.
Fuente: Valdez Ingenieros [9].
Tabla 1. Clasificación de las centrales hidroeléctricas.


Existen tres principales tipos de turbinas para las diferentes características de los flujos hídricos [10] :

  • Turbina Pelton: Gran caída y bajo caudal.
  • Turbina Francis: Media caída y medio caudal.
  • Turbina Kaplan: Baja caída y gran caudal.

Grandes centrales hidroeléctricas

Las grandes centrales hidroeléctricas acumulan grandes cantidades agua por medio de presas. Éstas normalmente se utilizan para la generación en horas pico, debido a que pueden garantizar cantidades considerables de electricidad de forma constante durante ciertos periodos. La constitución típica de este tipo de centrales se muestra en la figura 15 y se compone de las siguientes partes:

  • Una presa, construida de diversos materiales, que puede tener una altura de 50 a 200 metros, y almacenar grandes volúmenes de agua.
  • Una casa de máquinas, ubicada al pie de la presa, en donde se localizan las turbinas y los generadores, controles y sistemas de protección.
  • Una subestación elevadora para alimentar una o varias líneas de transmisión de alta tensión.
Figura 15. Componentes de una central hidroeléctrica grande.
Figura 15. Componentes de una central hidroeléctrica grande.
Fuente: Universidad de Oriente, Venezuela.

Pequeñas centrales hidroeléctricas

Las pequeñas centrales hidroeléctricas se localizan normalmente en lugares de caudales moderados y saltos pequeños. Estas centrales se pueden definir en base a criterios de funcionamiento, obra civil o de potencia y su diseño varía de acuerdo a la topografía de la cuenca (Figura 16). Estos proyectos generalmente desvían temporalmente una parte del caudal del río para la producción de energía hidroeléctrica [11].

Las partes principales de una central hidroeléctrica son (Figura 17) [10] :

  1. La presa derivadora: Obra de ingeniería que sirve para desviar parte del flujo del río hacia la planta.
  2. El canal y/o túnel: Se utiliza para conducir el flujo captado por la presa.
  3. Un tanque de carga: Se utiliza para controlar el agua que llega del canal y permite operar satisfactoriamente la tubería a presión.
  4. Tubería de presión: Este elemento se ubica entre el tanque de carga y la casa de máquinas, es decir a lo largo de la caída o desnivel del terreno.
  5. La casa de máquinas: Es la construcción que sirve para instalar la(s) turbina(s) y generador(es) eléctricos. Incluye la subestación.
  6. La línea de transmisión: La instalación que se utiliza para enviar la electricidad al centro de consumo.
Figura 16. Esquemas de los diversos tipos de centrales hidroeléctricas renovables.
Figura 16. Esquemas de los diversos tipos de centrales hidroeléctricas renovables.
Fuente: Manual de Mini y Micro Centrales Hidráulicas [12].

La principal ventaja de las pequeñas centrales es que no agotan la fuente primaria al ser explotadas, ya que el agua después de haber entregado su energía cinética regresa al río o arroyo por medio del canal de desfogue y además no implican la emisión de contaminantes o residuos.

Figura 17. Componentes importantes de una central hidroeléctrica pequeña “al hilo del agua”.
Figura 17. Componentes importantes de una central hidroeléctrica pequeña “al hilo del agua”.
Fuente: Manual de Mini y Micro Centrales Hidráulicas [12].

¿Qué es la energía geotérmica?


La energía geotérmica se obtiene mediante el aprovechamiento del calor interno de la Tierra [13]. Este calor se encuentra concentrado en sistemas o yacimientos geotérmicos. Éstos suelen manifestarse en la superficie en forma de manantiales termales, suelos calientes, volcanes de lodo, fumarolas, geiseres y zonas de alteración hidrotermal.


Sistemas geotérmicos

Los sistemas geotérmicos se forman en los límites de las placas tectónicas, donde también suelen ocurrir fenómenos de vulcanismo y sismicidad [13]. Un sistema geotérmico típico se compone de una fuente de calor, un acuífero y la capa sello [13]. Los sistemas geotérmicos pueden ser de tres tipos: hidrotermales, de roca seca caliente y convectivos o geopresurizados [13].

Hidrotermales: Éstos incluyen la presencia natural de fluidos calientes o fluidos hidrotermales, de la fuente de calor y la capa sello. Se subdividen a su vez en sistemas hidrotermales continentales y submarinos, según su ubicación [13].

Roca Caliente: También conocidos como sistemas geotérmicos mejorados (Enhanced Geothermal Systems), carecen de fluidos y consisten únicamente de una fuente de calor [13]. Para aprovecharlos es preciso introducir agua al subsuelo mediante un pozo inyector donde el agua se va calentando a medida que desciende, y se recolecta el fluido caliente mediante un pozo productor.

Geopresurizados: Estos sistemas carecen de una fuente de calor individual; en ellos, el agua meteórica es infiltrada desde la superficie y calentada por el gradiente geotérmico del subsuelo, que es de aproximadamente un grado centígrado por cada 33 metros de profundidad [13].

Los sistemas geotérmicos que se pueden aprovechar para la generación de energía eléctrica en la actualidad, son los hidrotermales de tipo continental; suelen clasificarse en sistemas de líquido dominante, de vapor dominante o de vapor seco; en función de la proporción de agua y vapor que contengan. También se clasifican por temperatura, en alta entalpía (más de 200 °C), media entalpía (entre 150 y 200 °C) y baja entalpía (entre 90 y 150 °C) [14].


Plantas geotermoeléctricas

Una planta geotermoeléctrica funciona de manera similar a una planta termoeléctrica convencional como las que generan tres cuartas partes de la energía eléctrica que se consume en México. Consta básicamente de cuatro elementos fundamentales: una caldera, para hervir agua y generar vapor con alta presión y temperatura; una turbina, cuyas hojas o álabes se mueven al ser impulsados por ese vapor; un generador, que recibe el movimiento de los álabes de la turbina y que convierte la energía mecánica en energía eléctrica y una subestación eléctrica, cuyo transformador eléctrico eleva el voltaje de la energía producida en el generador, hasta alcanzar la tensión requerida para su transmisión [13].

A diferencia de las termoeléctricas convencionales que utilizan combustible como combustóleo, diésel, gas, o carbón, las plantas geotermoeléctricas no requieren de ningún combustible fósil o nuclear, ni requieren de una caldera para producir vapor de agua, sino que aprovechan el producido por los yacimientos geotérmicos (Figura18) [14] .

Figura 18. Componentes de una central geotermoeléctrica.
Figura 18. Componentes de una central geotermoeléctrica.
Fuente: UNU-GTP and LaGeo, 2011.

¿Qué es la energía oceánica?


Los océanos contienen una enorme cantidad de energía de diferentes maneras. Actualmente existe una gran variedad de tecnologías para aprovechar esta energía, lo que podría proporcionar energía confiable, sostenible y económicamente viable en un futuro cercano, gracias al importante desarrollo alcanzado en los últimos años [16].

Existen cinco diferentes tecnologías en desarrollo (Figura 19), cuyo objetivo es extraer energía de los océanos [19].

  • La Energía de las Mareas: la energía potencial asociada con las mareas puede ser aprovechada mediante la construcción de una presa u otras formas de construcción, como puede ser a través de un estuario.
  • La Energía de las Corrientes Marinas: Es una forma de energía generada por el movimiento continuo de las aguas cercanas a la superficie, impulsada principalmente por el viento y por el calentamiento solar de los océanos. La energía cinética asociada a las corrientes marinas (tidal currents) pueden ser aprovechadas mediante sistemas modulares, o por sistemas similares a las turbinas que se usan para generar energía mediante el aire.
  • La Energía de las Olas: Es una forma de energía solar de concentración que se transfiere a través de complejas interacciones entre las olas del viento. Los efectos de la variación de la temperatura se deben al calentamiento solar de la Tierra, junto con una multitud de fenómenos atmosféricos, lo que genera corrientes de viento y por consecuencia las olas del mar.
  • Los Gradientes de Temperatura: Es la energía térmica del mar debido al gradiente de temperatura entre el agua de la superficie y de las profundidades, que se puede aprovechar mediante la conversión de energía térmica diferente.
  • Los Gradientes de Salinidad: Esta energía se encuentra en la desembocadura de los ríos, donde el agua dulce se mezcla con agua salada; la energía asociada con el gradiente de salinidad puede ser aprovechada mediante el proceso inverso a la presión retardada por ósmosis (conocido como energía azul) y las tecnologías asociadas de conversión.

Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), ninguna de las tecnologías para el aprovechamiento de la energía oceánica ha alcanzado su máximo desarrollo, pero evidentemente existe un gran potencial en el océano [16]. La AIE considera que estas tecnologías podrían comenzar a desempeñar un papel importante en el mercado eléctrico a partir del 2030 [16].

Figura 19. Clasificación de la energía oceánica.
Figura 19. Clasificación de la energía oceánica.
Fuente: Agencia Internacional de Energía [16].

¿Qué es la energía del hidrógeno?


El hidrógeno es un gas incoloro, inodoro, insípido y no tóxico; es el elemento más ligero de la naturaleza y el más abundante en el universo, su manipulación requiere de cuidados especiales. Éste se puede hallar en estrellas jóvenes, polvo interestelar, nubes de gas suspendidas en el espacio y, en gran parte, formando diversos compuestos químicos. Tiene el más alto valor calorífico y contenido de energía que cualquier otro combustible [17]. Para observar mejor esto, se tiene que 1 kg de hidrógeno contiene la misma cantidad de energía que 3.5 l de petróleo, 1 kg de gas natural o 8 kg de gasolina.

El gran problema de este combustible es que no es un elemento que se pueda encontrar en estado puro en la naturaleza. Los procesos existentes para la obtención de hidrógeno son altamente energéticos y/o requieren el uso de hidrocarburos o del agua [18].

Se puede observar, por la figura anterior, que en la actualidad un 96% de la producción de hidrógeno a nivel mundial se obtiene por medio de hidrocarburos [19]. Otros métodos en desarrollo es el uso de ciertas algas y bacterias fotosintéticas que pueden producir el hidrógeno bajo determinadas condiciones. También existe el método más sencillo, la electrolisis, el cual consiste en utilizar la corriente eléctrica (la cual se quiere generar, por lo que lo vuelve un método no tan viable) para romper la molécula del agua y así obtener hidrógeno (Figura 20).

Figura 20. Esquema de las distintas vías de producción de hidrógeno [19].
Figura 20. Esquema de las distintas vías de producción de hidrógeno [19].

Una vez obtenido el hidrógeno en su estado puro, puede ser utilizado en motores de combustión o turbinas de gas, pero la mayor ventaja es su uso en celdas de combustible, que son equipos que generan electricidad directamente con un alto rendimiento. Otra gran ventaja es que al combustionar hidrógeno con oxígeno para generar electricidad, las emisiones o residuos que se tendrán serán exclusivamente vapor de agua.


Celdas de combustible

La celda de combustible es un dispositivo capaz de transformar la energía química que se obtenga de un combustible, por medio de una reacción química del combustible con oxígeno, en energía eléctrica.

La celda está constituida por tres elementos: ánodo (electrodo), cátodo (electrodo) y un electrolito. El combustible se reducirá en la superficie del ánodo, con lo que fluirán los iones de hidrógeno (H+) hacia el cátodo a través del electrolito donde reaccionará con el comburente (oxígeno) y producirá agua. Junto con esta reacción se producirán electrones.

Las celdas de membrana de intercambio protónico (Figura 21) trabajan a bajas temperaturas (90ºC) y usa como combustible el hidrógeno y como comburente el oxígeno. Sin embargo existen otro tipo de celdas, en las cuales se pueden utilizar otros tipos de comburentes, tales como hidrocarburos o biogás.

Figura 21. Operación de celda de combustible de hidrógeno-oxígeno [18].
Figura 21. Operación de celda de combustible de hidrógeno-oxígeno [18].

Combustión directa

Otro método, dicho anteriormente del uso del hidrógeno es por medio de combustión directa para aprovechar la energía térmica producida en un ciclo termodinámico y obtener energía mecánica y eléctrica, posteriormente.

Esto se puede realizar tanto en motores alternos de combustión directa como en turbinas de gas. El problema es que, al utilizar aire como comburente y no oxígeno puro no solo se producirá vapor de agua también se podrán formar óxidos de nitrógeno NOx por las altas temperaturas que existan en la combustión (debido a la presencia de nitrógeno en el aire). Para esto será de gran importancia el controlar la temperatura de la combustión.

¿Qué es la energía nuclear?


La energía nuclear, como su nombre lo dice, es la energía que se obtiene de los núcleos de los átomos. Hay que recordar que un átomo es la partícula más pequeña en la que se puede dividir un material. Un átomo posee dos tipos de partículas, neutrones y protones, los cuales se mantienen unidos por dicha energía (nuclear).

El combustible más utilizado para la obtención de esta energía es el uranio al ser el material más pesado de la naturaleza y con mayor energía atómica, pasando por un proceso de enriquecimiento para su uso en reactores nucleares (Figura 22).

Figura 22. Comparativa de diferente fuentes de energía [20].
Figura 22. Comparativa de diferente fuentes de energía [20].

Existen dos formas para poder liberar esta energía, la fisión y la fusión.

La fisión se da al separar un átomo para formar dos más pequeños y liberar energía. Un neutrón es el que provoca la división del átomo de uranio-235 con lo que se forman dos átomos diferentes y de menor peso que el átomo inicial, así como se liberan dos neutrones. La diferencia de masa que hay entre el uranio-235 y el neutrón (reactivos) contra los dos fragmentos de fisión y los dos neutrones (productos) es la que se transforma en energía térmica (Figura 23).

Figura 23. Representación esquemática de la reacción de fisión nuclear [21].
Figura 23. Representación esquemática de la reacción de fisión nuclear [21].

La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía y en cualquier elemento más liviano que el hierro requiere energía. Este proceso genera mucha más energía que un proceso químico [21].

La fusión se da al combinar los átomos entre si y formar uno más grande; así es como se produce la energía del Sol. Actualmente aún no existe la tecnología para poder realizar dicho proceso, el cual teóricamente sería mayor la energía obtenida que por medio de la fisión (Figura 24).

Figura 24. Representación esquemática de la reacción de fusión nuclear [21].
Figura 24. Representación esquemática de la reacción de fusión nuclear [21].

Esta energía térmica obtenida se usará en un ciclo termodinámico para generar electricidad. Al igual que en una planta termoeléctrica (ciclo Rankine), con la energía térmica obtenida por el combustible se generará vapor de agua, el cual pasará a presión por una turbina de vapor para generar energía mecánica y, posteriormente, de esta energía se obtendrá electricidad por medio de un generador.

Figura 25. Componentes de una planta termoeléctrica [22].
Figura 25. Componentes de una planta termoeléctrica [22].

La energía nuclear tiene grandes ventajas con respecto al uso de hidrocarburos. Se pueden producir enormes cantidades de energía con un pequeño volumen de combustible; una tonelada de combustible nuclear produce la misma energía que lo que producirían dos o tres millones de toneladas de combustibles fósiles [23]. Esta tampoco emite dióxido de carbono u otros gases de efecto invernadero.

Po otra parte, una de las mayores desventajas es la alta inseguridad con respecto al medio ambiente por la radiación y sus desechos radioactivos; aún no existe una solución para la eliminación de dichos residuos. Además esta no es una energía renovable, esto quiere decir que el combustible que se utiliza para dicho procedimiento es finito.

¿Qué es la cogeneración eficiente?


La Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica (LSPEE) [24], define a la cogeneración como:

“La generación de energía eléctrica usando conjuntamente una energía térmica secundaria. Esto puede ser cuando la energía térmica no aprovechada en los procesos se utilice para la producción directa o indirecta de energía eléctrica o cuando se utilicen combustibles producidos en sus procesos para la generación directa o indirecta de energía eléctrica”.

Esto se refiere a la generación en simultáneo de energía eléctrica y energía térmica a partir de una misma energía primaria. Con esto, se obtienen menores pérdidas al aprovechar la energía térmica que no sería utilizada en un proceso de generación convencional y una reducción del combustible a utilizar.

Figura 26. Misma generación de energía eléctrica y térmica (por cogeneración y convencional)  [27].
Figura 26. Misma generación de energía eléctrica y térmica (por cogeneración y convencional) [27].

La cogeneración eficiente de energía eléctrica conforme a la LSPEE, debe tener una eficiencia superior (Tablas 3 y 4) a la mínima de acuerdo con la siguiente documentación:

  • RES/003/2011.- Metodología para el cálculo de la eficiencia de los sistemas de cogeneración de energía eléctrica y criterios para determinar la cogeneración eficiente [25].
  • RES/291/2012.- Disposiciones generales para acreditar sistemas de cogeneración como de cogeneración eficiente [26].
Tabla 2. Criterios de eficiencia mínima establecidos por la CRE para determinar a la cogeneración eficiente.
Fuente: CRE, 2011.
Tabla 2. Criterios de eficiencia mínima establecidos por la CRE para determinar a la cogeneración eficiente.



Tabla 3. Criterios de eficiencia mínima establecidos por la CRE para determinar a la cogeneración eficiente con una capacidad menor o igual a 30 MW.
Fuente: CRE, 2011.
Tabla 3. Criterios de eficiencia mínima establecidos por la CRE para determinar a la cogeneración eficiente con una capacidad menor o igual a 30 MW.

Se tomarán tres diferentes formas de cogeneración:

  • Producción de energía eléctrica conjuntamente con vapor u otro tipo de energía térmica secundaria, o ambas.
  • Producción directa o indirecta de energía eléctrica a partir de energía térmica no aprovechada en el proceso.
  • Producción directa o indirecta de energía eléctrica utilizando combustibles producidos en el proceso.

Así pues, la cogeneración tradicional permitirá reducir costos de operación pero una acreditación de cogeneración eficiente otorgará mayores beneficios. De esta forma (cogeneración eficiente) se igualará con la energía renovable, obteniendo todos los beneficios que se le da a la producción de electricidad por medio de fuentes renovables.

Algunos ejemplos de cogeneración son:

  • Cogeneración con motores alternativos
  • Cogeneración con microturbinas
  • Cogeneración con celdas de combustible
  • Cogeneración con motores stirling

¿Qué es la captura, uso y almacenamiento de CO2?


La captura, uso y almacenamiento de CO2 es un conjunto de tecnologías y técnicas que inician con la captura de CO2 proveniente de la generación de energía o procesos industriales mediante el uso de combustibles fósiles; posteriormente el CO2 es transportado desde la fuente de emisión hasta un sitio, previamente seleccionado y caracterizado, para su almacenamiento permanente en el subsuelo en yacimientos maduros o agotados de hidrocarburos, formaciones salinas profundas o lechos de carbón no explotables a profundidades a partir de los 800 m. Todo este proceso es cuidadosamente monitoreado para reducir los riesgos de las operaciones y asegurar el confinamiento del gas.

Esta tecnología es la alternativa más importante para mitigar los efectos de las emisiones de CO2 provenientes de fuentes fijas (centrales de generación eléctrica, refinerías, industria siderúrgica y cementera, etc.). Este tipo de tecnología se ha utilizado en el mundo desde los años ochenta del siglo anterior, principalmente en la industria petrolera [26].

Existen tres tipos de técnicas para la captura de CO2 (figura 27) las cuales son:

  • Post-combustión.- en esta técnica se separará el CO2 de los gases de salida de la combustión. Esta opción es de gran relevancia ya que se podría añadir a instalaciones ya existentes. El CO2 será separado del gas de salida antes de que este vaya a la atmósfera en un equipo de separación de CO2 el cual es un ciclo de absorción-desorción [29].

  • La absorción de CO2 trata de la retención de los mismos al entrar en contacto con un líquido absorbente o un solvente sólido, esto por las interacciones físicas o químicas de su molécula con un solvente.

  • Pre-combustión.- en esta técnica el combustible se transforma en una corriente de gases. Sus principales componentes serán CO2 y H2, pueden ser separados en una forma relativamente sencilla [29]. Esta tecnología se puede utilizar para todos los recursos fósiles, así como biomasa y residuos.

  • Este producto se puede utilizar para diferentes formas como son: como combustible descarbonatado, como base para la obtención de hidrógeno puro y para producir nuevos combustibles o productos químicos líquidos.

  • Oxi-combustión (oxyfuel).- esta técnica consiste en retirar todo o una gran parte del N2 del aire comburente antes de ser usado en el proceso de combustión. El problema con esta técnica es que el comburente fresco no se podrá utilizar de forma directa en la combustión (debido a las altas temperaturas que alcanzaría la combustión y afectarían los materiales donde se efectuaría dicha combustión) [29]. Por lo tanto, el comburente fresco se deberá de mezclar con gases recirculados de la propia combustión y así poder disminuir su temperatura.

  • Al realizar esta técnica, los residuos que se obtengan de la combustión serán en un gran porcentaje CO2 y H2O. El H2O se podrá retirar fácilmente por medio de la condensación.

Figura 27. Técnicas disponibles para la captura y separación del CO2 [28].
Figura 27. Técnicas disponibles para la captura y separación del CO2 [28].

Una vez separado el CO2 se comprime y se transporta por gasoductos, pipas o buques hasta el sitio seleccionado en el subsuelo. Después se realiza la inyección a reservorios. Estos deberán de tener las características adecuadas (porosidad, permeabilidad y profundidad) para poder retener el CO2 de forma permanente. Hay que tomar en cuenta que el comportamiento del CO2 variará con respecto a la profundidad.

Actualmente se tienen cuatro variantes de almacenamiento, las cuales son:

  1. Llenado de yacimientos de petróleo y gas agotados
  2. Recuperación mejorada de hidrocarburos (Enhaced Oil Recovery, EOR). Consiste en el aumento de presión de los yacimientos por la inyección de CO2 para obtener volúmenes adicionales. Con esto, se obtendrá un producto con gran valor económico. Actualmente es la variante más utilizada.
  3. Almacenamiento en acuíferos que no sean utilizables para el hombre. Es el de mayor potencial por su capacidad de almacenamiento.
  4. Almacenamiento en mantos de carbón inexplotables. El CO2 reemplazará el metano existente en el yacimiento y permitirá que éste sea aislado de la atmósfera por el carbono.
Figura 28. Diferentes formas de almacenamiento geológico de CO2 en el subsuelo [28].
Figura 28. Diferentes formas de almacenamiento geológico de CO2 en el subsuelo [28].

Hay que tomar en cuenta que esta tecnología solo sirve para dióxidos de carbono de origen antropogénico (efectos, procesos o materiales que son el resultado de actividades humanas).

Referencias Bibliográficas


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[22] Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, ¿Qué son los reactores nucleares?, Contacto Nuclear http://inin.gob.mx/publicaciones/documentospdf/51%20QUE%20SON.pdf

[23] Peña Rodríguez M. F., Ventajas y Desventajas del Uso de la Energía Nuclear, Debate Social, Número 21 http://www.cie.unam.mx/~rbb/ERyS2013-1/nuclear/Maria-Fernanda-Pena-Rodriguez.pdf

[24] Cámara de Diputados del H. Congreso de la Unión, Secretaría General, Secretaría de Servicios Parlamentarios (1975), Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica, Diario Oficial de la Federación, Ley Abrogada DOF 11-08-2014 http://www.diputados.gob.mx/LeyesBiblio/abro/lspee/LSPEE_abro.pdf

[25] Secretaria de Energía (2011), Resolución por la que la Comisión Reguladora de Energía expide la metodología para el cálculo de la eficiencia de los sistemas de cogeneración de energía eléctrica y los criterios para determinar la Cogeneración Eficiente, Diario Oficial de la Federación, 22 de febrero de 2011 http://www.cre.gob.mx/documento/2299.pdf

[26] Secretaría de Energía (2012), Resolución por la que la Comisión Reguladora de Energía expide las disposiciones generales para acreditar sistemas de cogeneración como de cogeneración eficiente, Diario Oficial de la Federación, 26 de septiembre 2012 http://www.cre.gob.mx/documento/2300.pdf

[27] AChEE, Cogeneración eficiente Agencia Chilena de Eficiencia Energética, ¿Qué es cogeneración? http://www.cogeneracioneficiente.cl/que-es-cogeneracion/

[28] Beltrán L., Contreras C., Valenzuela J. M., Dávila M., Arévalo V., Jiménez O., Medina E., Cuevas O., Ortega H. (2012), Atlas de almacenamiento geológico de CO2 MÉXICO, Secretaria de Energía, Comisión Federal de Electricidad, México

[29] Cámara A., Navarrete B., Candil R., Vilanova E., Segarra J., Morán S., Zapatero M. A., Gómez M. A., Peña F. G., García A. M., Gil J., Pina J., Chamberlain J., Martínez R., Arenillas A., Cortina V., Del Valle L., Penelas G., Menéndez E., Loredo J., Llamas B., Documento del Grupo de Trabajo de Conama 10, Grupo de trabajo 02 Captura y Almacenamiento de CO2

What are clean energies?


They are those sources of energy and process of electricity generation whose emissions or residues, when they exist, do not exceed the thresholds established in the regulations that are issued for that purpose. Among the clean energies, the following are considered (Figure 1):

  1. Wind;
  2. Solar radiation, in all its forms;
  3. Oceanic energy in its different forms: tidal, seawater, wave, sea currents and salt concentration gradient;
  4. Heat from geothermal reservoirs;
  5. The bioenergetics that determine the Law of Promotion and Development of Bioenergetics;
  6. The energy generated by the use of the calorific value of methane and other associated gases at waste disposal sites, livestock farms and wastewater treatment plants, among others;
  7. The energy generated by the use of hydrogen through its combustion or its use in fuel cells, provided that the minimum efficiency is met (established by the CRE and the emission criteria established by the Ministry of the Environment and Natural Resources in their life cycle);
  8. Energy from hydroelectric power plants;
  9. Nuclear power;
  10. Energy generated from agricultural sludge or municipal solid waste processing products (such as gasification or molecular plasma) where such processing does not generate dioxins and furans or other emissions which may affect health or the environment and comply with Mexican official standards issued by the Ministry of Environment and Natural Resources for this purpose;
  11. The energy generated by efficient cogeneration plants in terms of the efficiency criteria issued by the CRE and the emissions established by the Ministry of the Environment and Natural Resources;
  12. The energy generated by sugar mills that meet the efficiency criteria established by the CRE and the emissions established by the Ministry of the Environment and Natural Resources;
  13. Energy generated by thermal plants with processes for the capture and geological storage or biosecretion of carbon dioxide having an efficiency equal to or greater in terms of kWh-generated per tonne of carbon dioxide equivalent emitted to the atmosphere at the minimum efficiency establish by the CRE and the emission criteria established by the Ministry of the Environment and Natural Resources;
  14. Technologies considered to be low-carbon according to international standards, and
  15. Other technologies determined by the Mexican Ministry of Energy and the Ministry of the Environment and Natural Resources, based on parameters and standards of energy and water efficiency, air emissions and generation of waste, directly, indirectly or in a cycle of lifetime.
Figure 1. Classification of clean energy sources and associated technologies.
Figure 1. Classification of clean energy sources and associated technologies.
Note: In the first level we have the energy sources and second level we have the technologies.

What is solar energy?


The sun is our primary source of energy and is the main precursor of natural processes such as photosynthesis in plants, air currents, evaporation of surface water, cloud formation, rainfall and, therefore, the origin of other renewable energy sources, such as wind, waves or biomass. Its heat and light are the basis of numerous chemical reactions essential for the development of plants, animals and ultimately, for life on Earth, therefore, the main source of energy for all processes that take place on our planet.

In a year the amount of solar energy that reaches the Earth, passing through the atmosphere is approximately 33% of the total energy intercepted by the Earth outside the atmosphere, and of this, 70% is concentrated in the seas [1]. However, the energy that affects one year on land is equal to several thousand times the current world energy consumption. In this document referring to solar energy, it refers to the electric energy obtained by the transformation to heat, which in turn is converted to electricity, or directly to electricity. Figure 2 describes the methods used to convert solar energy to electric energy.

Figure 2. Classification of methods of converting solar energy into electricity.
Figure 2. Classification of methods of converting solar energy into electricity.

Photovoltaic energy

It directly harnesses the energy of the sun to generate electricity based on the photoelectric phenomenon, through which devices made of semiconductors are able to convert the "light" of the sun into electricity. The device where this phenomenon is performed is called photovoltaic cell [1].


Conventional panel

Set of photovoltaic cells connected to each other, which generate electricity from direct current (Figure 3). Conventional photovoltaic panels can be divided into two major categories: Crystalline Silicon, which are subdivided into two major categories, a) Monocrystalline and b) Polycrystalline; and Thin Films, which are subdivided into three families, I) Amorphous silicon and Microamorph, II) Cadmium tellurium and III) Indium and Cadmium diselenide [1].

Figure 3. Conceptual model of a conventional photovoltaic solar panel.
Figure 3. Conceptual model of a conventional photovoltaic solar panel.

Photovoltaic Concentration

The concentration of photovoltaic solar energy consists of a technology that uses an optical sensor to concentrate a large amount of solar radiation in a photovoltaic cell (Figure 4), between 250 and 1,000 times more than in a conventional photovoltaic cell, using only 1 cm2 of cells per unit [2]. This is why the efficiency of this system is high and its performance is not affected by the increase of the temperature.

Since the 70's this technology is in the research and development stage, however for some years it is possible to find it commercially but at high costs; nevertheless, current research and development is trying to improve this technology.

Figure 4. Conceptual model of a photovoltaic concentration cell.
Figure 4. Conceptual model of a photovoltaic concentration cell.

Solar thermal energy

Thermosolar energy, also known as photothermal or thermal concentration, generates electrical energy by the use of mirrors to concentrate solar energy, so that a fluid is heated, which is subsequently used to generate steam, which when passing through a turbine generates electricity [2].

Currently, electricity generation technologies can be grouped into four main categories; depending on the way in which they focus the solar rays and the technology used to receive solar energy [2].


Parabolic Cylinder

It consists of a semi-cylinder of mirrors that concentrate the solar rays on a central pipe through which circulates a fluid that transports the heat; frequently a synthetic oil (Figure 5). For the accumulation of energy molten salts are used. The main components of this technology are the mirrors or reflectors, the receiver tube of the energy conversion system, the cooling system and the working fluid [2].

This technology is the most mature and common of thermosolar systems available today; in many cases with large storage systems, but is still under development to achieve improvements in performance.

Figure 5. Conceptual model of the thermal utilization of the parabolic cylinder.
Figure 5. Conceptual model of the thermal utilization of the parabolic cylinder.

Linear fresnel

It is based on the concentration of the solar rays using long rows of flat or slightly curved mirrors that are oriented towards a secondary reflector so as to reflect the solar rays in a fixed linear receiver, in which circulates a working fluid generating directly saturated steam (Figure 6).

The advantage of this technology is the relatively simple design of the mirrors, which can imply cost reduction. It is one of the most recently emerged concepts, so it has not reached its full state of maturity, although it is possible to find its commercial application.

Figure 6. Conceptual model of thermal utilization Linear Fresnel type.
Figure 6. Conceptual model of thermal utilization Linear Fresnel type.

Concentration tower

Solar towers, or central reception systems, use hundreds of thousands of small reflectors to concentrate the sun's rays into a central receiver located at the top of a fixed tower (Figure 7). Some tower plants in operation use direct steam generation at their receivers, while others use molten salt as the heat transfer fluid and as a storage medium. The power of concentration of the tower concept reaches extremely high temperatures, increasing the efficiency with which the heat is transformed into electricity, reducing the costs of thermal storage [2]. In addition, the design is highly flexible, allowing designers to choose from a wide variety of heliostats, receivers, transfer fluids and power blocks. Some plants have several towers which feed a block of power.

The basic parts that make up the system are the mirrors, the concentration tower, the conversion system of thermal energy into electrical, the cooling system and the working fluid. The prospects indicate that the major designs are being proposed considering one or several towers and alternative receiver designs, as well as various heat transfer fluid options and storage systems.

At present, solar fields with thousands of small heliostats are a lower cost alternative for field design, although they have the additional complexity associated with the mirror tracking system and emergency systems for receiver temperature changes.

Figure 7. Conceptual model of a solar thermal power plant (Concentration Tower type).
Figure 7. Conceptual model of a solar thermal power plant (Concentration Tower type).
Source: www.unesa.es

Parabolic disk

The parabolic disks concentrate the sun's rays towards a focal point located in its center. The complete apparatus follows the sun, with the disk and receiver moving together, offering the highest efficiency in systems with low generation capacity. Heat is absorbed in a high-efficiency Stirling type engine with hydrogen or helium and has a cooling system that uses a closed-loop fluid [2]. Most disks have a separate generator in the focus, eliminating the need for transfer fluid and cooling water.

A series of characteristics, such as their compact size, absence of cooling water, among others, put them in competition with photovoltaic modules, as well as with other thermosolar technologies.

It is a technology that is in the stage of development and improvement, although some systems have been operating for 20 years.

What is biomass energy?


Also known as bioenergy, it is the energy obtained from organic matter constitutive of living beings, their excreta and their non-living remains [3]. The formation of biomass is from solar energy, which is carried out by the process called photosynthesis. Through photosynthesis, chlorophyll-containing plants transform carbon dioxide and water from non-energy-rich mineral products into organic materials with a high energy content and which in turn serve as food for other living things. This process stores solar energy in the form of biomass. The energy stored in the photosynthetic process can later be transformed into thermal energy, electric energy or as fuels of vegetable origin.


Processes of conversion of biomass into electrical energy

From the point of view of energy use, biomass is characterized by having low carbon content, a high oxygen content and volatile compounds [4]. The caloric power of the biomass depends very much on the type of biomass considered and its humidity. Thus, these biomass calorific values can normally be given on a dry basis or on a wet basis.

It is noteworthy that from the environmental point of view, the biomass energy use does not contribute to the increase of the greenhouse gases, since the global balance of CO2 emissions to the atmosphere is neutral. On the contrary, in the case of fossil fuels, the carbon released into the atmosphere is that which has been fixed to the Earth for millions of years.

From the energy point of view, it is convenient to classify the biomass into two large groups (Figure 8) and three conversion processes (Figure 9).

Figure 8. Classification of the different types of available biomass.
Figure 8. Classification of the different types of available biomass.

The dry biomass

It is one that can be obtained naturally with a moisture content of less than 60%, such as firewood, straw, bagasse, etc. This can be used by thermochemical processes, which directly produce thermal energy or co-products in the form of solid, liquid or gaseous fuels [4].


Wet biomass

It is called that when the percentage of humidity exceeds 60% [4], for example in vegetable waste, animal waste, aquatic vegetation, etc. It is especially suitable for treatment by biochemical processes, or in some particular cases, by simple physicochemical processes, obtaining liquid and gaseous fuels.

It should be clarified that this classification is completely arbitrary, but it helps to visualize the characterization of the conversion processes.

Figure 9. Main processes of conversion of biomass into energy.
Figure 9. Main processes of conversion of biomass into energy.
Source: IES. "Cristóbal de Monroy", Department of Technology.

Thermochemical processes

In a general sense, the thermochemical conversion of biomass refers to the chemical reaction by which energy is released directly, or biomass is converted into a gaseous or liquid fuel [5]. Therefore, they basically comprise direct combustion, gasification, pyrolysis and liquefaction (Figure 10); the latter being still in the development stage.

Figure 10. Thermochemical processes of biomass conversion.
Figure 10. Thermochemical processes of biomass conversion.

Biochemical processes

Biochemical processes are based on the degradation of biomass by the action of microorganisms and can be divided into two large groups: those produced in the absence of air (anaerobic) and those produced in the presence of air (aerobic).


Anaerobic digestion

Anaerobic digestion, using animal or vegetable residues with a low carbon/nitrogen ratio, is performed in a closed vessel called digester (Figure 11) and gives rise to the production of a combustible gas called biogas [4].

Biogas, consisting mainly of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) [3], is a fuel that can be used in the same way as natural gas.

Figure 11. Anaerobic digestion scheme for obtaining biogas.
Figure 11. Anaerobic digestion scheme for obtaining biogas.

Aerobic fermentation

Aerobic fermentation of biomass with a high content of sugars or starches, gives rise to the formation of alcohol (ethanol), which in addition to its uses in medicine and liquor, is a liquid fuel with characteristics similar to those obtained by means of oil refining [4].

The raw material most used for the production of alcohol is sugar cane, cassava, sweet sorghum and corn.


Physicochemical processes

The physicochemical conversion route produces a liquid biofuel from the biomass containing vegetable oil. This technology is similar to conversion routes to produce vegetable oil in the food industry.

Vegetable oil is produced by pressing and extracting the oil from the seed; so that only oilseeds, such as rapeseed, sunflower, soybeans, palm oil, etc., can be used.

What is wind energy?


Wind energy is obtained from the kinetic energy of the wind generated by the movement of air currents caused by non-uniform heating of the Earth (Figure 12).

Wind can be defined as an air stream, resulting from pressure differences in the atmosphere, caused in most cases by variations in temperature, due to differences in solar radiation at different points on the Earth [6].

Air has a mass, which although small, is quantifiable and therefore, when it is in motion possesses the energy of the whole body moving, known as kinetic energy.

For centuries the human being has taken advantage of wind energy for different uses: windmills, maritime transport by means of sailboats, sawmills, among others, but at present its use is almost exclusively for obtaining electricity.

Figure 12. Schematic of the causes of wind energy.
Figure 12. Schematic of the causes of wind energy.
Source: NASA (NOAA, 1984).

The wind turbines

Wind turbines or windmills are devices that transform the kinetic energy of the wind into mechanical energy to run an electric generator.

The wind hits the blades of the wind turbine and rotates it; this rotation movement is transmitted to the generator. The generator will produce an electric current that is sent to the transport lines.

The main elements of a wind turbine are as follows (Figure 13):

  • Support or tower
  • Blades
  • High speed drive shaft
  • Multiplier
  • Generator
Figure 13. Conceptual model of a wind turbine.
Figure 13. Conceptual model of a wind turbine.

There are turbines of many capacities, from 500 W, to more than 7 MW. The larger capacity turbines are mainly destined to marine wind farms.

There are currently two types of wind turbines available to convert wind kinetic energy into electricity:

Horizontal axis wind turbine

It is the concept to produce wind energy that has been implanted over the years; consists of placing the axis of the wind turbine parallel to the wind path and its blades rotating in a perpendicular plane to the ground.

  • Low or medium power (< 50 kW): It usually has many blades (up to twenty-four). It is used in the rural environment and as a housing supplement [7].
  • High power (> 50 kW): It usually has at most four aerodynamic profile blades, although it usually has three blades. It needs winds of more than 5 m/s [7]. It has industrial use, being arranged in parks or wind power plants.

Vertical axis wind turbine

Its technological development is less advanced than those of horizontal axis and its use is scarce, although it has growth prospects [7]. Unlike the horizontal axis wind turbine, the blades of this wind turbine rotate in a plane parallel to the ground. They don't need orientation and offer less wind resistance.

As with other sources of renewable energy, wind energy has important advantages for any energy matrix because of its production costs, since it doesn't produce greenhouse gas emissions and isn't subject to volatility of fuel prices. On the other hand, it presents disadvantages in its intermittency, the distance between the wind zones and the electrical networks, the visual and auditory pollution that it produces and the impact it may have on the birds that live in the area or use this resource as a guide in their annual migrations. However, much research and development has been invested in recent years to reduce the current disadvantages of this technology. Proof of this is that there are several strategies to solve the problem of intermittency, such as the development of weather forecasting models or backing with other sources such as solar or hydraulic energy and energy storage.

What is hydraulic energy?


Hydraulic energy is obtained from the kinetic and potential energy of the water. The origin of hydroelectric energy occurs mainly because of the "hydrological cycle" that has its origin from the radiation of the Sun that hits the Earth (Figure 14). As the water of the seas warms, clouds are formed. Most of the clouds discharge in the form of rain in the sea while the wind moves the rest towards the continents. The rain, when falling, partially infiltrates in the subsoil, while another part evaporates and the rest drains forming streams in the mountains, later to form rivers and to follow its course until the sea.

Figure 14. Hydrological cycle.
Figure 14. Hydrological cycle.

Therefore, hydraulic energy is obtained from the kinetic and potential energy of a river or stream, formed by the flow of a mass of water flowing through its channel, from the high or mountainous parts to the coastal plains. This energy is transformed into electricity by circulating water under pressure through a turbine to produce mechanical energy. The turbines transmit the mechanical energy of their rotation, by means of an axis, to an electricity generator [8].

The energy generation from a water stream is the most widely used form of renewable energy in the world to generate electricity. Most are produced with large-scale plants that use large dams and reservoirs which can store a large amount of water to regulate generation. These plants have the capacity to generate considerable amounts of electricity steadily during certain periods but also cause environmental and social impacts. However, there are also small-scale systems, which are known as "water-based" power plants, since they don't require a reservoir, therefore they don't cause these problems and can contribute to provide electricity service in non-electrified areas and strengthen the interconnected network.

Currently, there are several classifications for hydroelectric plants based on their use and installed capacity (Table 1), however, Mexico legislation, through the Energy Transition Law, only considers as renewable those plants less than or equal to 30 MW or even if they exceed that capacity but their power density (defined as the ratio of generating capacity to the surface of the reservoir) exceeds 10 Watts/m2.

Table 1. Classification of hydroelectric plants.
Source: Valdez Ingenieros [9].
Tabla 1. Clasificación de las centrales hidroeléctricas.


There are three main types of turbines for the different characteristics of water flows [10] :

  • Pelton Turbine: Great fall and low flow.
  • Francis turbine: Half drop and half flow.
  • Kaplan Turbine: Low drop and high flow.

Large hydropower plants

Large hydroelectric plants accumulate large amounts of water by means of dams. These are normally used for peak generation, as they can guarantee considerable amounts of electricity steadily over certain periods. The typical constitution of this type of power plant is shown in Figure 15 and is composed of the following parts:

  • A dam, built of various materials, which can have a height of 50 to 200 meters, and store large volumes of water.
  • An engine room, located at the foot of the dam, where turbines and generators, controls and protection systems are located.
  • A lifting substation to power one or more high-voltage transmission lines.
Figure 15. Components of a large hydroelectric plant.
Figure 15. Components of a large hydroelectric plant.
Source: Universidad de Oriente, Venezuela.

Small hydropower plants

Small hydroelectric plants are usually located in places with moderate flows and small jumps. These plants can be defined based on criteria of operation, civil works or power and their design varies according to the topography of the basin (Figure 16). These projects temporarily divert part of the river's flow to the production of hydroelectric power [11].

The main parts of a hydroelectric plant are (Figure 17) [10] :

  1. The relief dam: An engineering work that serves to divert part of the flow of the river to the plant.
  2. The channel and/or tunnel: It is used to conduct the flow captured by the dam.
  3. A cargo tank: It is used to control the water coming from the channel and allows the pressure line to be operated satisfactorily.
  4. Pressure line: This element is located between the cargo tank and the engine room, i. e. along the fall or unevenness of the terrain.
  5. The engine room: This is the building used to install the electric turbine (s) and generator (s). Includes the substation.
  6. The transmission line: The installation that is used to send the electricity to the consumption center.
Figure 16. Schemes of the various types of renewable hydroelectric power plants.
Figure 16. Schemes of the various types of renewable hydroelectric power plants.
Source: Manual of Mini and Micro Hydraulic Power Plants [12].

The main advantage of small power plants is that they don't deplete the primary source when they are exploited since the water, after having delivered its kinetic energy, returns to the river or stream by means of the vent channel. Also, it doesn't imply the emission of pollutants or residues.

Figura 17. Componentes importantes de una central hidroeléctrica pequeña “al hilo del agua”.
Figura 17. Componentes importantes de una central hidroeléctrica pequeña “al hilo del agua”.
Fuente: Manual de Mini y Micro Centrales Hidráulicas [12].

What is geothermal energy?


Geothermal energy is obtained by harnessing the Earth's internal heat [13]. This heat is concentrated in geothermal systems or reservoirs. These are usually manifested on the surface in the form of hot springs, hot soils, mud volcanoes, fumaroles, geysers and areas of hydrothermal alteration.


Geothermal systems

Geothermal systems are formed at the boundaries of tectonic plates, where phenomena of volcanism and seismicity also occur [13]. A typical geothermal system consists of a heat source, an aquifer and the seal layer [13]. The geothermal systems can be of three types: hydrothermal, hot dry rock and convective or geopressurized [13].

Hydrothermal: Also known as Enhanced Geothermal Systems, they lack fluids and consist solely of a heat source [13]. In order to take advantage of them, it is necessary to introduce water to the subsoil by means of an injector well where the water is heated as it descends, and the hot fluid is collected by means of a producing well.

Hot Rock: También conocidos como sistemas geotérmicos mejorados (Enhanced Geothermal Systems), carecen de fluidos y consisten únicamente de una fuente de calor [13]. Para aprovecharlos es preciso introducir agua al subsuelo mediante un pozo inyector donde el agua se va calentando a medida que desciende, y se recolecta el fluido caliente mediante un pozo productor.

Geopressurized: These systems lack an individual heat source; in them, meteoric water is infiltrated from the surface and heated by the geothermal gradient of the subsoil, which is approximately one degree centigrade for every 33 meters deep [13].

The geothermal systems that can be used for the generation of electrical energy at present are the hydrothermal continental type; they are usually classified in dominant liquid, dominant vapor or dry steam systems; depending on the proportion of water and steam they contain. They are also classified by temperature: high enthalpy (over 200 °C), medium enthalpy (between 150 and 200 °C) and low enthalpy (between 90 and 150 °C) [14].


Geothermal power plants

A geothermal power plant works similarly to a conventional thermoelectric plant, such as those that generate three-quarters of the electricity consumed in Mexico. It consists basically of four fundamental elements: a boiler, to boil water and generate steam with high pressure and temperature; a turbine, whose blades move as they are driven by the steam; a generator which receives the movement of the blades of the turbine and converts the mechanical energy into electrical energy and an electrical substation whose electric transformer raises the voltage of the energy produced in the generator until the voltage required for its transmission is reached [13].

Unlike conventional thermoelectric plants that use fuel such as fuel oil, diesel, gas, or coal, geothermal power plants do not require any fossil or nuclear fuel, nor do they require a boiler to produce water vapor, but take advantage of the one produced by geothermal reservoirs (Figure 18) [14].

Figure 18. Components of a geothermal power plant.
Figure 18. Components of a geothermal power plant.
Source: UNU-GTP and LaGeo, 2011.

What is the oceanic energy?


The oceans contain a tremendous amount of energy in different ways. There is now a wide variety of technologies to harness this energy, which could provide reliable, sustainable and economically viable energy in the near future, thanks to the significant development achieved in recent years [16].

There are five different technologies under development (Figure 19), whose objective is to extract energy from the oceans [19].

  • Tidal Energy: The potential energy associated with tides can be harnessed by building a dam or other forms of construction, as it can be through an estuary.
  • Energy of the Marine Currents: It is a form of energy generated by the continuous movement of waters close to the surface, driven mainly by the wind and the solar heating of the oceans. The kinetic energy associated with marine currents (tidal currents) can be utilized by modular systems, or by systems similar to the turbines that are used to generate energy through the air.
  • Wave Energy: A form of concentrated solar energy that is transferred through complex interactions between wind waves. The effects of temperature variation are due to solar heating of the Earth, along with a multitude of atmospheric phenomena, which generates wind currents and consequently the waves of the sea.
  • Temperature Gradients: It is the thermal energy of the sea due to the temperature gradient between the surface water and the depths, which can be exploited by the conversion of different thermal energy.
  • Salinity Gradients: This energy is found at the mouth of rivers, where fresh water is mixed with salt water; the energy associated with the salinity gradient can be exploited by reverse osmosis pressure (known as blue energy) and associated conversion technologies.

According to the International Energy Agency (AIE, by its Spanish acronym), none of the technologies for the use of ocean energy has reached its maximum development, but evidently there is great potential in the ocean [16]. The AIE considers that these technologies could begin to play an important role in the electricity market from 2030 [16].

Figure 19. Classification of ocean energy.
Figure 19. Classification of ocean energy.
Source: International Energy Agency [16].

What is hydrogen energy?


Hydrogen is a colorless, odorless, tasteless and non-toxic gas; is the lighter element of nature and the most abundant in the universe, its handling requires special care. This can be found in young stars, interstellar dust, gas clouds suspended in space and, in large part, forming various chemical compounds. It has the highest calorific value and energy content of any other fuel [17]. To better understand, 1 kg of hydrogen contains the same amount of energy as 3.5 l of oil, 1 kg of natural gas or 8 kg of gasoline.

The big problem with this fuel is that it is not an element that can be found in its pure state in nature. Existing processes for obtaining hydrogen are highly energetic and/or require the use of hydrocarbons or water [18].

It can be seen from the previous figure that nowadays, 96% of the world's hydrogen production is obtained by means of hydrocarbons [19]. Other methods under development are the use of certain algae and photosynthetic bacteria that can produce hydrogen under certain conditions. There is also the simplest method, electrolysis, which consists in using the electric current (which we want to generate, making it a non-viable method) to break the water molecule and obtain hydrogen (Figure 20).

Figure 20. Schematic of the different hydrogen production pathways [19].
Figure 20. Schematic of the different hydrogen production pathways [19].

Once hydrogen is obtained in its pure state, it can be used in combustion engines or gas turbines, but the biggest advantage is its use in fuel cells, which are machines that generate electricity directly with a high performance. Another great advantage is that by combusting hydrogen with oxygen to generate electricity, the generated emissions or residues will be exclusively water vapor.


Fuel Cells

The fuel cell is a device capable of transforming the chemical energy that is obtained from a fuel, through a chemical reaction of fuel with oxygen, into electrical energy.

The cell consists of three elements: anode (electrode), cathode (electrode) and an electrolyte. The fuel will be reduced at the anode surface, whereby the hydrogen ions (H +) will flow into the cathode through the electrolyte where it will react with the oxidizer and produce water. Electrons will be produced along with this reaction.

The proton exchange membrane cells (Figure 21) work at low temperatures (90 °C) and use hydrogen as the fuel and oxygen as the oxidizing agent. However, there are other types of cells, in which other types of oxidants, such as hydrocarbons or biogas, can be used.

Figura 21. Operación de celda de combustible de hidrógeno-oxígeno [18].
Figure 21. Hydrogen-oxygen fuel cell operation [18].

Direct combustion

Another method, previously mentioned by the use of hydrogen is by means of direct combustion to take advantage of the thermal energy produced in a thermodynamic cycle and obtain mechanical and electrical energy, later.

This can be done in both reciprocating engines (direct combustion) and gas turbines. The problem is that using air as oxidizer and not pure oxygen will not only produce water vapor, nitrogen oxides NOx can be formed by the high temperatures that exist in the combustion (due to the presence of nitrogen in the air). For this it will be of great importance to control the temperature of the combustion.

What is the nuclear energy?


Nuclear energy, as its name says, is the energy that is obtained from the nuclei of atoms. It must be remembered that an atom is the smallest particle in which a material can be divided. An atom has two types of particles, neutrons and protons, which are held together by (nuclear) energy.

The most commonly used fuel to obtain this energy is uranium as it is the heaviest natural material with the highest atomic energy, undergoing an enrichment process for its use in nuclear reactors (Figure 22).

Figura 22. Comparativa de diferente fuentes de energía [20].
Figure 22. Comparison of different energy sources [20].

There are two ways to release this energy, fission and fusion.

Fission occurs by separating an atom to form two smaller atoms and releasing energy. A neutron is the one that causes the division of the atom of uranium-235 so that they form two different atoms of smaller weight than the initial atom, as well as two neutrons is released. The mass difference between uranium-235 and neutron (reactive) against the two fission fragments and the two neutrons (products) is what is transformed into thermal energy (Figure 23).

Figure 23. Schematic representation of the nuclear fission reaction [21].
Figure 23. Schematic representation of the nuclear fission reaction [21].

La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía y en cualquier elemento más liviano que el hierro requiere energía. Este proceso genera mucha más energía que un proceso químico [21].

La fusión se da al combinar los átomos entre si y formar uno más grande; así es como se produce la energía del Sol. Actualmente aún no existe la tecnología para poder realizar dicho proceso, el cual teóricamente sería mayor la energía obtenida que por medio de la fisión (Figura 24).

Figura 24. Representación esquemática de la reacción de fusión nuclear [21].
Figure 24. Schematic representation of the nuclear fusion reaction [21].

This obtained thermal energy will be used in a thermodynamic cycle to generate electricity. As in a thermoelectric plant (Rankine cycle), with the thermal energy obtained by the fuel, water vapor will be generated, which will pass through a steam turbine to generate mechanical energy and, later, of this energy, electricity will be obtained by means of a generator (Figure 25).

Figure 25. Components of a thermoelectric plant [22].
Figure 25. Components of a thermoelectric plant [22].

Nuclear power has great advantages over the use of hydrocarbons. Large amounts of energy can be produced with a small volume of fuel; a ton of nuclear fuel produces the same energy as two to three million tons of fossil fuels would produce [23]. It also does not emit carbon dioxide or other greenhouse gases.

On the other hand, one of the major disadvantages is the high insecurity with respect to the environment by radiation and its radioactive waste; there is still no solution for the disposal of such waste. In addition, this is not a renewable energy, this means that the fuel used for such a procedure is finite.

What is efficient cogeneration?


The Public Electric Energy Service Act (LSPEE, by its Spanish acronym) [24] defines cogeneration as:

"The generation of electric energy using a secondary thermal energy. This can be when the thermal energy not used in the processes is used for the direct or indirect production of electrical energy or when using fuels produced in their processes for the direct or indirect generation of electric energy".

This refers to the simultaneous generation of electrical energy and thermal energy from the same primary energy. With this, lower losses are obtained by taking advantage of the thermal energy that would not be used in a conventional generation process and a reduction of the fuel use.

Figure 26. Same generation of electric and thermal energy (by cogeneration and conventional) [27].
Figure 26. Same generation of electric and thermal energy (by cogeneration and conventional) [27].

The efficient cogeneration of electricity according to the LSPEE, must have a higher efficiency (Tables 3 and 4) to the minimum according to the following documentation:

  • RES/003/2011.- Methodology for calculating the efficiency of cogeneration systems and criteria for determining efficient cogeneration [25].
  • RES/291/2012.- General provisions to accredit cogeneration systems as well as efficient cogeneration [26].
Table 2. Criteria of minimum efficiency established by the CRE to determine the efficient cogeneration.
Source: CRE, 2011.
Tabla 2. Criterios de eficiencia mínima establecidos por la CRE para determinar a la cogeneración eficiente.



Table 3. Minimum efficiency criteria established by the CRE to determine efficient cogeneration with a capacity less than or equal to 30 MW.
Source: CRE, 2011.
Tabla 3. Criterios de eficiencia mínima establecidos por la CRE para determinar a la cogeneración eficiente con una capacidad menor o igual a 30 MW.

Three different forms of cogeneration will be taken:

  • Production of electrical energy in conjunction with steam or other secondary heat energy, or both.
  • Direct or indirect production of electrical energy from unused heat energy in the process.
  • Direct or indirect production of electricity using fuels produced in the process.

Thus, traditional cogeneration will reduce operating costs, but efficient cogeneration accreditation will provide greater benefits. In this way (efficient cogeneration) will match with renewable energy, obtaining all the benefits that are given to the production of electricity by means of renewable sources.

Some examples of cogeneration are:

  • • Cogeneration with reciprocating engines
  • • Cogeneration with microturbines
  • • Cogeneration with fuel cells
  • • Cogeneration with Stirling engines

What are the capture, use and storage of CO2?


The capture, use and storage of CO2 (CCUS) are a set of technologies and techniques that begin with the capture of CO2 from the generation of energy or industrial processes through the use of fossil fuels. CO2 is then transported from the emission source to a previously selected and characterized site for permanent storage in the subsoil in mature or depleted hydrocarbon reservoirs, deep salt formations or non-exploitable coal beds at depths of up to 800 m. This entire process is carefully monitored to reduce the risks of operations and ensure gas containment.

This technology is the most important alternative to mitigate the effects of CO2 emissions from fixed sources (power plants, refineries, steel and cement industry, etc.). This type of technology has been used in the world since the eighties of the previous century, mainly in the oil industry [26].

There are three types of techniques for CO2 capture (figure 27) which are:

  • Post-combustion.- In this technique the CO2 will be separated from the exhaust gases from the combustion. This option is of great relevance since it could be added to existing installations. The CO2 will be separated from the exhaust gases before it goes to the atmosphere in a CO2 separation equipment which is an absorption-desorption cycle [29].

  • The CO2 absorption deals with the retention of the same when coming in contact with an absorbent liquid or a solid solvent, this by the physical or chemical interactions of its molecule with a solvent.

  • Pre-combustion.- in this technique the fuel is transformed into a stream of gases. Its main components will be CO2 and H2, can be separated in a relatively simple form [29]. This technology can be used for all fossil resources, as well as biomass and waste.

  • This product can be used for different forms such as: decarbonated fuel, as a basis for the production of pure hydrogen and to produce new fuels or liquid chemicals.

  • Oxy-combustion (oxyfuel).- This technique consists of removing all or a large part of N2 from the combustion air before being used in the combustion process. The problem with this technique is that the fresh oxidizer will not be able to be used directly in the combustion (due to the high temperatures the combustion can reach and affect the materials where the combustion would be carried out) [29]. Therefore, the fresh oxidizer must be mixed with recirculated gases from the combustion itself and be able to decrease its temperature.

  • When performing this technique, the residues obtained from the combustion will be in a large percentage of CO2 and H2O. The H2O can easily be removed by means of condensation.

Figura 27. Técnicas disponibles para la captura y separación del CO2 [28].
Figure 27. Available techniques for CO2 capture and separation [28].

Once the CO2 is separated, it is compressed and transported by pipelines, pipes or ships to the selected site in the subsoil. The injection is then performed in reservoirs. These must have the appropriate characteristics (porosity, permeability and depth) to be able to permanently retain CO2. It must be taken into account that the CO2 behavior will vary with respect to depth.

There are currently four storage variants, which are:

  1. Filling of depleted oil and gas reservoirs
  2. Enhanced Oil Recovery (EOR). It consists of increasing pressure of the reservoirs by injecting CO2 to obtain additional volumes. With this, you will get a product with great economic value. It is currently the most widely used variant.
  3. Storage in aquifers that are not usable for man. It has the greatest potential because of its storage capacity.
  4. Storage in unexploded coal beds. CO2 will replace existing methane in the reservoir and allow it to be isolated from the atmosphere by carbon.
Figure 28. Different forms of geological storage of CO<sub>2</sub> in the subsoil [28].
Figure 28. Different forms of geological storage of CO2 in the subsoil [28].

It must be taken into account that this technology only serves for carbon dioxides of anthropogenic origin (effects, processes or materials that are result of human activities).

Bibliographic references


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[22] National Institute of Nuclear Research, “What are Nuclear Reactors?”, Nuclear Contact http://inin.gob.mx/publicaciones/documentospdf/51%20QUE%20SON.pdf

[23] M. F. Peña Rodríguez, “Advantages and Disadvantages of the Use of Nuclear Energy”, Social Debate, Number 21 http://www.cie.unam.mx/~rbb/ERyS2013-1/nuclear/Maria-Fernanda-Pena-Rodriguez.pdf

[24] Chamber of Deputies of the H. Congress of the Union, General Secretariat, Secretariat of Parliamentary Services (1975), “Law of the Public Service of Electric Power, Official Gazette of the Federation, Repealed Law DOF 11-08-2014” http://www.diputados.gob.mx/LeyesBiblio/abro/lspee/LSPEE_abro.pdf

[25] Mexican Ministry of Energy (2011), “Resolution by which the Energy Regulatory Commission issues the methodology for the calculation of the efficiency of the cogeneration systems of electricity and the criteria to determine the Efficient Cogeneration”, Official Gazette of the Federation, February 22, 2011 http://www.cre.gob.mx/documento/2299.pdf

[26] Mexican Ministry of Energy (2012), “Resolution by which the Energy Regulatory Commission issues the general provisions to accredit cogeneration systems as efficient cogeneration”, Official Gazette of the Federation, September 26, 2012 http://www.cre.gob.mx/documento/2300.pdf

[27] AChEE, Efficient Cogeneration Chilean Agency for Energy Efficiency, “What is cogeneration?” http://www.cogeneracioneficiente.cl/que-es-cogeneracion/

[28] L. Beltrán, C. Contreras, J. M. Valenzuela, M. Dávila, V. Arévalo, O. Jiménez, E. Medina, O. Cuevas, H. Ortega (2012), “CO2 Geological Storage Atlas MEXICO”, Mexican Ministry of Energy, Federal Electricity Commission, Mexico

[29] A. Chamber, B. Navarrete, R. Candil, E. Vilanova, J. Segarra, S. Morán, M. A. Zapatero, M. A. Gómez, F. G. Peña, A. M. Garcia, J. Gil, J. Pina, J. Chamberlain, R. Martínez, A. Arenillas, V. Cortina, L. Del Valle, G. Penelas, E. Menéndez, J. Loredo, B. Llamas, “Conama Working Group Paper 10, Working Group 02 Capture and Storage of CO2