Casiopea Ramírez Melgar

PANEL 1 TECNOLOGÍAS SOLAR, EÓLICA Y GEOTÉRMICA. MEJORAS TECNOLÓGICAS Y SU PENETRACIÓN EN LA MATRIZ DE GENERACIÓN EN MÉXICO

Tecnología solar

CASIOPEA RAMÍREZ MELGAR Socia de Fresh Energy Consulting, experta en regulación de mercados eléctricos y cambio climático; colabora en iniciativas para la transición energética en México y Centroamérica. Ha liderado análisis de mercado, iniciativas de mejores prácticas regulatorias, estudios de potencial renovable, propuestas de modificación de marcos regulatorios, diseño de estrategias comerciales y la relación con instituciones del sector de energía. Es perita experta en procesos de arbitrajes y amparos relacionados con el sector eléctrico.

A pesar de que en tiempos recientes se ha puesto de moda, la energía solar se utiliza desde 1954. Todos quienes tuvimos una calculadora recordamos las celdas solares incorporadas en este tipo de instrumentos, pero no le concedíamos la relevancia que hoy tiene. Esta tecnología ha estado incorporada en nuestra vida diaria desde hace buen tiempo.

En la figura 1 se comparan las participaciones de las diferentes tecnologías y fuentes renovables de las matrices energéticas en el mundo; las gráficas muestran la relación entre la capacidad instalada y la participación de cada tecnología en la generación mundial. Como se aprecia, la tecnología solar fotovoltaica tiene potencial de crecimiento, pues en la actualidad cuenta con 25% de la capacidad instalada en el mundo, pero sólo participa en 10% de la generación total. Los recursos convencionales, en términos de energía renovable, aún predominan. En la misma figura se aprecia una gran participación de energía hidroeléctrica, seguida por la eólica, pero ¿qué ha estado pasando en los últimos 20 años?

La figura 2 también compara la generación anual con la capacidad instalada y muestra cómo ha evolucionado la participación de la energía solar desde el 2000 hasta el 2020. Al respecto, se advierte que ha habido un crecimiento exponencial, sobre todo en los últimos diez años, no sólo en el mundo, sino que México ha seguido el mismo camino y vale la pena resaltar que a partir de 2017 este incremento ha sido importante.

En realidad, en los primeros años, en México los pequeños proyectos de pequeños productores entregaban su producción a la Comisión Federal de Electricidad (CFE), ¿por qué no había una penetración tan relevante de la energía solar en México?

En la figura 3 se comparan el costo por kilovatio instalado en diferentes tecnologías, su factor de potencia y el costo nivelado de generación; éste incluye todos los costos asociados a la producción de energía durante la vida útil de un proyecto. Esto se hace con el fin de comparar peras con peras y manzanas con manzanas, es decir, para evaluar diferentes tecnologías e identificar cuál es la más conveniente, en términos de costos, en un plazo de vida útil y planear en forma adecuada las matrices de generación.

Las gráficas de la figura 3 comparan en tres rubros diferentes tecnologías. Parece muy evidente la diferencia entre cómo han evolucionado, en los últimos 10 años, la energía geotérmica, la hidroeléctrica, la eólica y la solar. Es notorio lo el declive de los costos de la energía solar a partir de 2010; en 2019 prácticamente se redujeron hasta una quinta parte de lo que costaba instalar este tipo de proyectos a inicios de la década.

El factor de potencia, es decir, cuánta energía generan, se ha incrementado de una manera importante; de hecho, este factor de potencia varía según la tecnología. Aquí es relevante mencionar que ya se trabaja en la tercera gene-

Capacidad instalada (%) en escala mundial por tipo de tecnología Generación (%) en escala mundial por tipo de tecnología

Hidrogeneración renovable 41.2% Solar fotovoltaica 25.3%

Energía eólica terrestre 24.9% Sólida 3.2%

2.0%

Biogás Biocombustibles líquidos Solar fotovoltaica Hidrogeneración renovable Geotérmica Marina Hidroeléctricas mixtas Eólica costa fuera Eólica terrestre Residuos municipales renovables Solar térmica Biocombustibles sólidos Hidrogeneración renovable 60.4% Eólica terrestre 19.1% Solar 9.8%

Biogás Biocombustibles líquidos Solar fotovoltaica Hidrogeneración renovable Geotérmica Marina Eólica costa fuera Eólica terrestre Residuos municipales renovables Solar térmica

Biocombustible sólidos 5.6% 1.3% 1.3% vBiocombustibles sólidos

Figura 1. Sector eléctrico mundial. Participación por tecnología 2020.

Capacidad instalada (GW)

Generación anual (TWh) Mundial

1 2000 1 2001 2 2002 2 2003 3 2004 5 2005 7 2006 9 2007 15 2008 24 42 74 104 141 180 228 300 395 489 590 716

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

1 2 2 2

2000 2001 2002 2003 3 2004 4 6 8 13 21 34 66 102 138 193 252 326 438 565 693

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 México

0 2000 0 2001 0 2002 0 2003 0 2004 0 2005 0 2006 0 2007 0 2008 0 2009 0 2010 0 2011 0.1 2012 0.1 2013 0.1 2014 0.2 2015 0.4 2016 0.7 2.6 4.4 5.6

2017 2018 2019 2020

7.4

0 2000 0 2001 0 2002 0 2003 0 2004 0 2005 0 2006 0 2007 0 2008 0 2009 0 0

2010 2011 0.1 0.1 0.2 0.2 0.3 1.2 3.2

2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020

Figura 2. Sector eléctrico mundial: crecimiento solar 20000-2020.

ración de módulos fotovoltaicos. Empezaron a emplearse, sobre todo, módulos cristalinos, monocristalinos y policristalinos basados en silicio, cuyo factor de eficiencia fluctuaba entre 18% y 20%. Después de 20 años de investigación y desarrollo, se logró llegar a una tecnología conocida como thin film. Con ella se incrementaron los valores de eficiencia hasta 30% o 32%. Hoy se han logrado avances adicionales con módulos bifaciales, es decir, que pueden tener dos caras y aprovechar mejor la energía solar. Además, si añadimos los trackers –mecanismos que permiten hacer una rotación y el seguimiento de la radiación solar a lo largo del día–, vemos que con la suma de todos estos elementos se ha logrado incrementar esa captación del recurso solar y tener una mayor producción.

Estos niveles de eficiencia han apoyado que la energía solar sea más competitiva, pero parece que el dato más relevante de las gráficas de la figura 4 lo muestra la referente al costo nivelado de generación, pues ahí puede verse cómo el declive del costo de la energía solar le confiere la competitividad para generar un kilovatio hora en un rango equiparable con el costo análogo de otras tecnologías; incluso ya está dentro de los niveles de mayor competitividad con las tecnologías basadas en energías fósiles, cuyos datos se muestran en la figura 4.

La figura 4 muestra también el promedio del costo nivelado de generación. La zona gris indica el costo de generación de las tecnologías fósiles; incluso están ahí representados los ciclos combinados que, específicamente, son las tecnologías convencionales de menor costo, las cuales han sido las bases por excelencia en México para planear la expansión de la generación de energía. Además, si se comparan los precios que se han asignado mediante mecanismos compe0 titivos, como lo eran las subastas de largo plazo practicadas en el país –que ponían a competir a todos los tipos de tecnologías–, para contratar, al mejor precio disponible en el mercado, la energía que necesitaba el mercado regulado encargado del suministro básico, es posible advertir que esos precios incluso podrían reducirse.

Hace 11 años se trabajaba en los primeros proyectos solares a gran escala en Latinoamérica. En una empresa para la que trabajaba entonces, el gran tema era vaticinar cuándo la energía solar llegaría a la paridad de la red, es decir, que el costo por kilovatio instalado fuera igual a un dólar. Ahora, como se advierte, ese límite se ha rebasado de manera significativa.

Desde 1975 hasta 2020 se aprecia un crecimiento de la eficiencia de los diferentes tipos de tecnologías de los módulos que se han estado utilizando. Cada vez son más eficientes debido a los avances tecnológicos, el uso de mejores materiales, las combinaciones de diferentes tipos de materiales y las optimizaciones de los diferentes seguidores (o trackers).

En la actualidad se está llegando a la tercera generación de paneles solares, que incluyen las tecnologías de concentración solar, con las cuales podría incrementarse hasta 47% el factor de potencia. Esto las colocaría en el rango incluso de tecnologías como la de turbogás, por lo que podrían ser todavía más competitivas en costos para que fueran fuentes de preferencia en la expansión de diferentes matrices de generación. ¿Cuáles son las opciones de uso? En general, ya resultan familiares los techos solares, sea mediante la generación distribuida o los grandes proyectos que ahora se han vuelto muy famosos en México. En el país se ha pasado de pequeños proyectos de 20 MW, hasta contar uno de los mayores de América Latina: dos plantas, parte de un proyecto en dos fases, que representan 800 MW generados en dos plantas de 400 MW cada una. Ambas instalaciones se localizan en el desierto de Coahuila. Costo por kW instalado Factor de potencia (dólares/kW) 100 5000 4000 80 3000 60 2000 40 1000 20 0 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Figura 3. Comparativa de costos globales 2010-2019. Figura 4. Costo nivelado de la energía promedio global y precios asignados en subastas 2010-2023. Sin embargo, poco se habla del potencial de aprovechamiento de diversas zonas del planeta como superficies solares. Hay distintas compañías y diferentes investigaciones en curso para crear nuevos tipos de paneles solares: ya sea mediante la aplicación de pintura solar, por ejemplo, en las superficies que reciban radiación solar y que, por lo tanto, puedan convertirla en electricidad; los paneles que se instalan directamente en los techos; superficies solares para ventanas que capten la radiación solar y además se integren al diseño urbano y arquitectónico. Estos diferentes avances tienen el potencial de contribuir a lograr una mayor eficiencia energética y aprovechar mejor los recursos. Es usual suponer que sólo es posible utilizar este tipo de energía mediante grandes proyectos, pero se soslaya la gran cantidad de superficies desaprovechadas,

Costo nivelado de generación promedio (dólares/kWh)

0.3 0.2 0.1 0.0 Geotérmica Hidroeéctrica Eólica terrestre Solar fotovoltaica 2019 (dólares/kWk) 0.3 0.2 0.1 Rango de costos de combustibles fósiles 0.0 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 Valor medio de subasta LCOE promedio

CI 1%

TG 3% TC 12% Carbón 7% Hidro 7% Geo 2% Eólica 5% Solar fv 3% Bioenergía 0% 318 TWh 2019 Nuclear 3% Cogen. ef. limpia 2% Cogen. ef 1%

CC 54% Carbón

TG 2% CI 1% 4% Hidro 9% Geo 2% TC 7% Eólica 6% Solar 4% Bioenergía 0% 312 TWh 2020 Nuclear 4% Cog. ef. limpia 1% Cog. ef. 2% CI 0%

TG 4% TC 8%

99TWh abr 2021

Carbón 3% Hidro 9% Geo 1% Eólica 8% Solar fv 6% Bioenergía 0% Nuclear 3% Cog. ef. limpia 1% Cog. ef. 2%

CC 58% CC 55%

Fuente: Prodesen.

Figura 5. Evolución de la matriz de generación en México.

Figura 6. Evolución de la generación solar distribuida en México.

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Cap. instalada (MW) Cap. instalada acumulada (MW)

1,797

1,551

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021

1,797 MW, 99.4% fv

Capacidad instalada a junio 2021

242,958

Total de contratos a junio 2021

2,898 MW

Estimación capacidad instalada a 2023

Fuente: CRE.

principalmente en ciudades como la capital de la República. Si se pudieran emplear todos los techos, todas las superficies, todas las ventanas, tal vez no se necesitaría seguir importando electricidad de otras regiones del país donde están instalados los proyectos.

Las gráficas de la figura 5 muestran la relevancia del recurso solar en el mundo y en México. La mayor parte de la superficie del país se halla en la franja que va del naranja al rojo. Esta característica indica que, en potencia, se dispone de la gran posibilidad de captar irradiación solar en casi 95% del territorio nacional. Estas condiciones son ideales para la instalación de paneles solares. En promedio, el territorio nacional recibe cerca de 5 kilovatios hora por metro cuadrado al día de energía solar. Esto significa que, si se aprovechara la superficie que hoy recibe irradiación solar, sería posible generar hasta 50 veces la demanda eléctrica del país.

En el ámbito mundial, el país se ubica en la mejor zona de irradiación solar, por lo que se compite con los mercados del norte de África y Australia. Este país cuenta con el mejor recurso solar. México cuenta con una capacidad aprovechable de recurso solar prácticamente infinita, por lo que se debería invertir cada vez más, ya fuera en pequeña o gran escala. Desgraciadamente, ese potencial no se refleja en la estructura de matriz energética actual.

Las gráficas de la figura 5 comparan cómo ha ido evolucionando la generación de energía mediante diferentes fuentes. En la gráfica correspondiente al 2020 se aprecia que la solar contribuyó con 4% de la energía total del sistema; en el 2019 fue con 3%. En las últimas cifras que publicó la Secretaría de Energía, con base en información oficial del Prodensen (Programa para el Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional), el aporte de la energía ascendió a 6% en abril del 2021.

La planeación del sistema no prevé, desafortunadamente, la incorporación de nuevos proyectos de energía solar en el futuro cercano, en particular de gran escala. Es probable que permanezcan niveles de 6%, o que incluso disminuyan si es el despacho económico cambia de acuerdo con las modificaciones de la Ley de la Industria Eléctrica que se están planteando, específicamente los cambios que afectan la generación de este tipo de energía.

A pesar de la situación imperante, sin inversión en energías renovables intermitentes (solar y eólica), y que estas fuentes no son prioritarias para la expansión del sistema eléctrico según la política energética actual, ese ha presentado

un crecimiento en las inversiones de capacidad de generación solar distribuida.

La figura 6 muestra una gráfica con información de la Comisión Reguladora de Energía (CRE) respecto de las últimas estadísticas publicadas en junio de 2021. Ahí se aprecia cómo ha ido creciendo de manera exponencial la capacidad instalada en techos solares. Este incremento se basa en proyectos de menos de medio mega (0.5 MW) de capacidad total instalada. Así, se advierte que a junio de 2021 se tenía un total de 1797 MW. Existe un total de 242,958 contratos de interconexión, y prácticamente 99% son de generación solar distribuida.

Hay un gran potencial en cuanto a la instalación de generadores solares, pues con los niveles de tarifas vigentes y con la reducción tan importante del costo para instalar este tipo de tecnologías, el mercado preferido para este tipo de instalaciones ha pasado de ser el de hogares con tarifas de alto consumo –las famosas tarifas DAC–, en donde lo utilizaban para practicar una especie de eficiencia energética, a que ahora el mayor mercado y la principal demanda de este tipo de proyectos sean las instalaciones comerciales e industriales, incluidos grandes consumidores, por ejemplo, cementeras, acereras, o cualquier tipo de industria con un espacio aprovechable para emplazar paneles dentro de sus instalaciones.

Esto se debe, en esencia, al nivel de competitividad de los costos de las tecnologías, pero sobre todo a que se ha limitado la instalación de grandes proyectos, de gran escala. Esto, obviamente, ha limitado la opción de que esos consumidores contraten energía, en particular energía renovable intermitente, con productores distintos a la CFE. Así que, como de todas maneras necesitan reducir sus consumos, tener una huella de carbono menor y, además, disminuir los costos, el montaje de paneles solares en sus instalaciones se ha vuelto una de las opciones por excelencia para cumplir con estos objetivos de manera conjunta.

En la primera gráfica de la figura 7 se muestra cómo tiene contratada hoy la energía de suministro básico la CFE por tipo de fuente, es decir, qué tipo de contratos tiene. Esta gráfica indica que sólo 5% de los contratos corresponden a energía solar (intermitente), esto es, son los contratos de las subastas de largo plazo, donde se entrega energía y certificados de energías limpias.

Sin embargo, esta distribución de contratos no refleja los costos nivelados de generación ni cuáles son las tecnologías más competitivas que permitan ofrecer el menor costo de generación a los consumidores finales.

El ciclo combinado está subrayado en la segunda gráfica porque los ciclos combinados son los únicos proyectos considerados en el plan de negocios de la CFE, los cuales se deberían instalar en 2024, pero el ciclo combinado, según esa comparativa y con base en precios de 2020, es la cuarta tecnología en términos de costos. Las tecnologías más baratas, más competitivas, son la eólica, en primer lugar, y la solar, tanto thin film como de silicio policristalino.

Esto significa que se dispone de una gran área de oportunidad para sustituir este tipo de contratos (de combustibles fósiles), en particular con energía renovable, si lo que se desea es que las tarifas tengan mayor estabilidad y dependan menos de la volatilidad de los precios del combustible, e incluso de la seguridad de suministro, factor que evidenciaron los eventos climáticos que limitaron el suministro de gas desde Texas y que hoy también se están presentando en Europa y el resto del mundo.

Como se ve hoy

Energía contratada estimada por fuente de suministro 2020

Minihidro intermitente 0% Eólica 4% Solar 5% Geotérmica 2%

Hidro gran escala 8% Hidro peq. Escala 1%

Térmicas 23%

Ciclo combinado 57%

Si el 71% de las emisiones de GEI provienen del sector energía, la sustitución de plantas térmicas es una gran oportunidad.

Lo que debería considerarse para la expansión de la matriz Costo nivelado de generación, dólares/MWh (Lazard 2020) Eólica 26 54

Solar pv thin film (gran escala) 29 38 Solar pv policristalino (gran escala) 31 42 Ciclo combinado 44 73 Geotérmica 59 101 Solar pv comunitaria 63 94 Carbón 65 159 Solar fv techos CI 74 179 Solar térmica con… 126 156 Nuclear 129 198 Solar fv techos residenciales 150 227 Gas (picos) 151 198

CC: Incluye carbón, combustión interna, nucleoeléctrica, termoeléctrica convencional y turbogás. Fuente: Memoria de cálculo. Tarifas finales de suministro básico 2020, CRE.

Figura 7. Matriz de suministro de la CFE como suministrador de servicios básicos.

Este trabajo ha presentado un panorama del actual estatus de la energía solar en el mundo. México debería aprovechar la gran oportunidad que ofrecen estas condiciones, no sólo en términos del recurso, sino porque la energía solar, debido a su modularidad, es susceptible de instalarse prácticamente en cualquier tipo de superficie y puede ser de cualquier tamaño. Una de sus principales características es que es factible instalarla en lugares donde la red no llega o, incluso, donde está saturada. Entonces puede hacer las veces de una eficiencia energética, de una alternativa para reducir costos con el fin de acercar la generación a los sitios de consumo y, de alguna manera, demorar o dilatar las inversiones en transmisión y distribución, sin duda indispensables, y así representar una gran alternativa para evitar que la falta de inversión en proyectos de transmisión de gran escala comprometan la seguridad en el suministro.

Lizbeth García Isla ¿Qué pasará con los desechos de estos paneles después de su vida útil?, ¿qué se está haciendo en relación con la contaminación generada durante su producción y después de su vida útil?, ¿cómo podemos disminuir la potencia que se necesita para respaldar la intermitencia de esta tecnología?, ¿qué papel desempeñan las redes inteligentes?

Casiopea Ramírez Melgar El tema del manejo de residuos ha sido bastante polémico. Empiezo afirmando que no es una problemática específica de los paneles solares, sino una problemática de todas las tecnologías susceptible de atender con políticas de reciclaje. Muchos de los componentes de estas centrales son reutilizables; de hecho, un estudio del 2016 de la Agencia Internacional de las Energías Renovables (IRENA, sus siglas en inglés), si mal no recuerdo, menciona todas las oportunidades de reciclaje y reutilización de los diferentes componentes en otras industrias, en lugar de sólo disponer de ellos en un relleno sanitario. Esto, en mi opinión, es una problemática que debe abordarse en forma integral mediante un manejo escrupuloso de residuos. Por tanto, son necesarias políticas específicas y una adecuación de los mecanismos de disposición de los diferentes materiales para que puedan aprovecharse mejor los residuos y sean reutilizables.

Como ya existen iniciativas que permiten este tipo de reaprovechamientos, es indispensable un mayor apoyo de las diferentes autoridades encargadas del manejo de residuos para que estén disponibles con el fin de reutilizarlos.

Los temas de la intermitencia y la potencia de respaldo han sido muy polémicos, pero me parece que varios elementos no se han atendido de la manera más adecuada en los diferentes discursos. Me explico. Los sistemas eléctricos deberían funcionar o privilegiar la flexibilidad en su operación. La flexibilidad es requisito ineludible con el fin de atender la demanda con sus diferentes necesidades. La demanda varía hora con hora. Entonces lo que necesitamos es contar con fuentes de energía que permitan, primero, asegurar el suministro de manera asequible durante todo el tiempo que así lo requiera la demanda . Por esta razón, las energías renovables, en particular la solar (intermitente), pueden funcionar como un mecanismo de eficiencia energética, en el sentido de que mientras haya horas de recurso solar no es necesario quemar combustibles fósiles.

La acción más lógica es aprovechar las tecnologías renovables de menor costo cuando exista la disponibilidad de recurso para desplazar las fuentes de generación de mayor costo; sin embargo, como se presentan variaciones en la disponibilidad del recurso (intermitencia) y también fluctúan las necesidades de la demanda, necesitamos contar con suficientes recursos que estén disponibles para atender las variaciones de demanda y de generación. Es decir, necesitamos que nuestro sistema cuente con la mayor flexibilidad de recursos disponibles, y esto implica contar con una diversificación lo suficientemente amplia de fuentes de generación; incluso no sólo depender del gas o de las hidroeléctricas, ni al cien por ciento de una fuente nuclear, ni de ninguna otra fuente, porque hemos visto la problemática que causa una gran dependencia de un solo energético: compromete la seguridad energética.

Entonces, una clave para diseñar un sistema confiable es la diversificación. Al respecto, México cuenta con todo tipo de recursos para disponer de una matriz de generación balanceada, y con una seguridad lo suficientemente amplia para que la intermitencia no genere problemas.

Segundo, necesitamos redundancias, y ese es uno de los grandes problemas que hemos tenido, no sólo derivado de una mayor penetración de energía renovable, sino originado por la falta de inversiones en nuestro sistema de transmisión y distribución.

Desafortunadamente, nuestros centros de consumo están conectados, en general, sólo por una línea de transmisión. En consecuencia, ante cualquier tipo de problemática se quedan por completo fuera del suministro de la red, lo que compromete directamente nuestra seguridad de suministro. Necesitamos una red redundante, requerimos opciones para recibir y aprovechar los recursos del país. Es ilógico que hoy tengamos exceso de generación de energía en Sonora, porque tenemos muchos ciclos combinados y mucha energía solar instalada ahí, pero que se padezca déficit de generación en la Península de Yucatán, o incluso en el Bajío, porque no somos capaces de hacer llegar esa energía desde Sonora hasta las regiones en donde más se necesite.

Una de las prioridades para amortiguar y asumir mejor esa intermitencia –le llamaría variabilidad– en la generación es contar con una red de transmisión mucho mejor conectada, más redundante y con mayor capacidad. La mayor parte de nuestras redes de transmisión están saturadas, eso definitivamente tiene un impacto bastante negativo en nuestro suministro.