INFRAESTRUCTURA 

México cuenta con un 70% más de irradiación que otros países con grandes desarrollos de aprovechamiento solar, aproximadamente el 90% del territorio mexicano presenta una irradiación que fluctúa entre 5 kWh/m2 y 6 kWh/m2. Por otro lado, existen 6 mil 37 presas y bordos, según datos publicados por la Comisión Nacional del Agua en 2018; consideradas como grandes presas por su altura o capacidad de almacenamiento.

Por estas razones, las presas de México representan un gran potencial para la generación de energía eléctrica por medio de sistemas fotovoltaicos, mediante el aprovechamiento de los embalses o las superficies planas de las cortinas, las cuales −en la mayoría de los casos−, son de propiedad federal y ofrecen protección a los sistemas fotovoltaicos ante posibles robos o daños; además, el impacto ambiental sería menor, pues son obras ya construidas.

En los casos de embalses de generación, además de estar provistos de vías de comunicación, cuentan con un sistema de transmisión, necesario para el ingreso de la energía eléctrica generada por medio de paneles fotovoltaicos en la red existente y su distribución.

Planta fotovoltaica flotante en la ciudad de Huainan.

Los orígenes

Algunos países han desarrollado esta tecnología, tanto con paneles instalados en tierra como en agua, y la han puesto en marcha exitosamente. Japón y China encabezan la lista de países con tecnología fotovoltaica flotante.

La primera planta flotante se instaló en 2007 en California, y para finales del 2016 se cuantificaban más de 70 plantas de este tipo en todo el mundo, en conjunto suman aproximadamente 93 megavatios (MW) de capacidad instalada, 45 se encuentran en Japón. Actualmente, la planta flotante más grande tiene una capacidad de 40 MW y se localiza en la ciudad de Huainan, China.

En 2018, entró en operación la segunda planta fotovoltaica flotante más grande del mundo en la Presa Yamakura, con capacidad instalada de 13.7 MW, en la Prefectura de Chiba, Japón.

La energía solar fotovoltaica flotante tiene una densidad de energía más alta (100 W/m2) que la energía solar terrestre, debido a que la temperatura del agua enfría los paneles y aumenta su eficiencia; además, al cubrir parte de la superficie del vaso, reduce la pérdida de agua por evaporación, limitando también el crecimiento de algas sin implicar un aumento significativo de los costos de instalación.

De igual forma, en 2014, Japón aprovechó su infraestructura hidráulica existente para generar energía eléctrica, equipando las caras inclinadas aguas abajo de las presas Kotani, Heiso y Gongen para la instalación de sistemas fotovoltaicos, con lo que demostró la viabilidad de la instalación y operación de estos sistemas en las cortinas de presas. En éstas se puede observar el paramento aguas abajo de las presas con paneles fotovoltaicos.

Países como India, Corea, Estados Unidos y algunos del norte de África, han comenzado a estimar el potencial fotovoltaico existente en sus presas. 

Infraestructura hidráulica en México

En México, con base en datos publicados por la Conagua en 2018, se tienen registradas 6 mil 37 presas y bordos. Para fines de esta investigación, se utilizó la información contenida en el Sistema de Seguridad de Presas, el cual proporciona datos actualizados de poco más de mil 600 presas.

De este conjunto de estructuras, para instalación de paneles fotovoltaicos en tierra, se descartaron las que poseen cortinas de altura menor a 4 metros (m), las destinadas a almacenar material de jales y las de cortina tipo arco, arco-bóveda y contrafuertes. Al realizar esta selección, el objetivo fue contar con la mayor área posible y estándares de seguridad estructural, así como el control de acceso a las presas y protección de los dispositivos que se instalarán.

De las 6 mil 37 presas y bordos inventariados, la Conagua recolecta datos diarios del nivel de la superficie libre del agua de 180 presas, por estos motivos, el cálculo del potencial en embalses se realizó únicamente en estas presas.

Área disponible

Para calcular el área disponible en las cortinas, se utilizaron los datos del talud aguas abajo, longitud y altura de la cortina, y para la estimación del área disponible en los embalses se obtuvo el área mínima histórica reportada para la presa; posteriormente, por recomendaciones de constructores y operadores de la Presa Yamakura, se utilizó solo un tercio del área mínima, para no afectar la calidad del agua del embalse.

Las presas del país representan un gran potencial para la generación de energía eléctrica a través de sistemas fotovoltaicos.

Tecnología Fotovoltaica

Actualmente, el sector fotovoltaico ha desarrollado distintas tecnologías con la finalidad de aumentar la potencia instalada y mejorar la eficiencia de estos mismos sistemas, alcanzando eficiencias de hasta 390 MW. Sin embargo, para evaluar la densidad de potencia por superficie y la capacidad instalable de los proyectos fotovoltaicos en presas, se seleccionó un panel fotovoltaico comercial con eficiencia promedio, con la finalidad de ofrecer resultados no comprometidos con el uso de determinada tecnología.

Lo anterior requirió de un análisis para identificar las características generales de las plantas fotovoltaicas en operación, así como aquellas que pudieran ser instaladas en México, y una comparación de las tecnologías existentes en el mercado.

Con base en lo anterior, se definió como óptimo un panel monocristalino con 60 Celdas en Serie, de 1.65 m de largo, 0.992 m de ancho y potencia de salida de 240 watts.

Según información contenida en el Sistema de Seguridad de Presas, en México se tiene el registro de poco más de mil 600 presas.aaaa

Densidad de la Inversa de la potencia

Para esta evaluación, es necesario calcular la densidad de potencia por superficie o su inversa (requerimiento de área por megawatt instalado). El método utilizado se basa en el cálculo de la separación entre paneles y su proyección, con el objeto de obtener la longitud requerida por panel para que el sistema no sea afectado por alguna sombra entre un panel y el otro.

El Inventario Nacional de Energías Limpias (INERE), realizó un análisis para las diferentes latitudes del país (inclinación del panel), para cada hora y día del año. La tangente en relación con el ángulo respecto a la posición del sol y el plano de los paneles resultó de 0.5222 radianes. Con este dato se calculó la densidad de potencia para paneles en forma horizontal e inclinada.

Además, fue necesario suponer un factor de amortización por vías de acceso, pendientes e infraestructura requerida como casa de máquinas y subestación, utilizando en total un 30% de amortización.

La densidad de potencia se calculó en función de la latitud en donde se ubica la presa tanto como para superficies planas (embalses) como para superficies inclinadas (paramento aguas abajo de la cortina).

Las cortinas y vasos de las presas de México tienen un alto potencial fotovoltaico que no ha sido aprovechado.

Potencial

Con base en información descargada del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), se corroboró que en México la irradiación global incidente promedio diaria varía de 4.5 a 6.2 kWh/m2.

La superficie total disponible estimada en mil 487 cortinas de presas de México es de 2 mil 33.11 hectáreas (ha) y 26 mil 311.67 ha en 180 embalses.

La capacidad instalable en cortinas es de mil 730 MW y el potencial de generación anual nacional esperado es de 3 mil 793 GWh. Debido a que se utilizó un factor de planta aproximado de 0.25 para todas las presas, los estados de mayor capacidad instalada corresponden con los de mayor potencial, y son Tamaulipas y Sinaloa con 382 y 380 GWh, respectivamente.

La capacidad instalable en embalses es de mil 730 MW y el potencial de generación anual nacional esperado por la instalación de sistemas fotovoltaicos en embalses es de 40 mil 346 GWh. Los estados de mayor potencial son Jalisco y Oaxaca con 21 mil 145 GWh y 5 mil 275 GWh anual, respectivamente.

Cortinas con mayor potencial fotovoltaico

Las cortinas de las presas con potencial de generación fotovoltaica mayor o igual a 10 GWh en México se encuentran distribuidas como se observa en el Mapa 1. “Potencial de generación instalable en cortinas”, mientras en la tabla “Cortinas de presas con mayor potencial de generación” se enlistan las presas con mayor potencial de generación fotovoltaico anual en cortina.

Embalses con mayor potencial fotovoltaico

Los embalses de las presas con potencial de generación fotovoltaica mayor o igual a 100 GWh que se encuentran distribuidas de la forma que se observa en el mapa “Potencial de generación instalable en embalses”, en la tabla “Embalses de presa con mayor potencial de generación” se enumeran 11 embalses con mayor potencial de generación fotovoltaico anual.

Conclusiones y recomendaciones

Las cortinas y vasos de las presas de México tienen un alto potencial fotovoltaico que no ha sido aprovechado y que podría satisfacer la demanda de energía eléctrica para bombeo en el sector agrícola, plantas de tratamiento de aguas residuales o interconectarse a la red de la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

De acuerdo con la experiencia de proyectos similares realizados en países como Japón, China, Inglaterra y España, las cortinas y los embalses de las presas no necesitan ser modificados, ni sufren daños como consecuencia de la instalación de sistemas fotovoltaicos, por lo que resulta viable hacer uso de estas instalaciones para este fin.

Como recomendaciones para futuros estudios, se propone realizar estimaciones con mayor precisión del área de la cortina, incluir en el cálculo las zonas de protección y las superficies no planas del talud aguas abajo de las presas de interés, así como el área disponible en canales de riego, determinar la cantidad de agua ahorrada mediante la instalación de sistemas fotovoltaicos flotantes al evitar las pérdidas por evaporación, además de considerar la distancia entre la infraestructura hidráulica existente a las líneas de distribución o transmisión.

En caso de instalarse sistemas fotovoltaicos flotantes en presas hidroeléctricas se deberá buscar que funcionen como sistemas híbridos.  

(*) María de los Ángeles Baltazar Lázaro. Estudiante de Doctorado en Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Felipe I. Arreguín Cortés. Ex Subdirector General de la Conagua, Ex Director General del IMTA, vicepresidente del Colegio de Ingenieros Civiles de México, Miembro del Centro Regional de Seguridad Hídrica de la UNESCO, profesor de la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería, UNAM, e investigador en el Instituto de Ingeniería de la UNAM.

Elizabeth Cervantes Jaimes. Estudiante de Doctorado en Ciencias de Ingeniería del ITESM Campus Monterrey. Profesora de la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería, UNAM.

El sector fotovoltaico ha desarrollado distintas tecnologías con la finalidad de aumentar la potencia instalada y mejorar la eficiencia de los sistemas.

Japón y China encabezan la lista de países con tecnología fotovoltaica flotante.

Texto:Ma. de los Ángeles Baltazar / Felipe I. Irreguín / Elizabeth Cervantes

Foto: quetzal ingenieria / CHINADAILY