Sistemas híbridos de energía del CICY

Creada en 2015, a partir de la llegada de investigadores de Cátedras Conacyt, la línea de investigación en sistemas híbridos de energía de la Unidad de Energía Renovable (UER) del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY) está orientada al desarrollo de proyectos multidisciplinarios que incluyen la integración de fuentes de energía renovable desarrolladas en la UER y otras instituciones científicas de la región, fuentes comerciales y sistemas de almacenamiento.

Víctor Ramírez Rivera y Luis Patiño López, investigadores titulares de la UER, señalaron que el objetivo principal de la línea de investigación es reducir el consumo energético, minimizando las pérdidas y aumentando la viabilidad de las energías renovables. Sin embargo, las energías renovables no aseguran por sí mismas el suministro energético de una ciudad debido a la alta demanda de la población.

“Para reducir nuestro consumo y aumentar la viabilidad de las energías renovables, requerimos emprender un esfuerzo paralelo en torno a los problemas de eficiencia energética, que en Yucatán son graves y en especial presentes en el consumo de energía relacionado con el confort térmico de casas y edificios”, expresó Luis Patiño en entrevista para la Agencia Informativa Conacyt.

Ante esta problemática, los investigadores desarrollan proyectos multidisciplinarios basados en sistemas híbridos, es decir, que surgen de la combinación de dos o más sistemas. “Esta línea tiene una orientación ingenieril y una tendencia hacia el desarrollo tecnológico con un matiz importante, nos interesamos en los problemas energéticos de nuestro entorno, la península de Yucatán”, indicó Luis Patiño.

Entre los propósitos principales de esta línea de investigación, destaca la búsqueda del aprovechamiento y minimización de pérdidas energéticas para aumentar la viabilidad de las energías renovables, el modelado, instrumentación y control de sistemas dinámicos biológicos y químicos como plantas, microorganismos, nanotecnologías y catálisis, así como la colaboración multidisciplinaria con las distintas unidades de investigación del CICY.

Consolidación del Laboratorio de Energía Renovable del Sureste

En la actualidad, el uso del hidrógeno como fuente de energía renovable es poco conocido entre la población debido a que sus rendimientos y costos no permiten que se explote masivamente. “¿Qué se requiere para darle más viabilidad a estas tecnologías? Combinarlas con tecnologías fotovoltaicas, solares térmicas o eólicas para darles más fortaleza con la suma”, señaló Luis Patiño.

Uno de los proyectos de mayor escala de la Unidad de Energía Renovable es la consolidación del Laboratorio de Energía Renovable del Sureste (Lenerse), financiado por el Fondo Sectorial de Sustentabilidad Energética del Conacyt y la Secretaría de Energía (Sener) con un monto aproximado de 45 millones de pesos.

“Este proyecto reúne a todos los investigadores de la Unidad de Energía Renovable, y lo que queremos es combinar las distintas maneras de generar hidrógeno, que han desarrollado nuestros colegas, en un solo sistema de almacenamiento que podamos utilizar después para aprovechar el hidrógeno donde tenga valor agregado y/o generar electricidad”, indicó Luis Patiño.

La energía producida a partir de este proyecto puede aprovecharse para el transporte en conjunto con el prototipo de carro eléctrico desarrollado por el grupo de investigación de Víctor Ramírez. “El carro se recarga mediante energía electrónica de potencia que nosotros producimos, hacemos los cargadores, los convertidores y la gestión de la energía”, detalló Víctor Ramírez.

Generación de hidrógeno con sistemas híbridos

Uno de los objetivos del proyecto Lenerse es desarrollar un sistema de almacenamiento a partir de distintos módulos que provienen del trabajo de la Unidad de Energía Renovable en torno a las fuentes de generación de hidrógeno con cultivo de microalgas, consorcios bacterianos, glicerol, hidrólisis y energía solar térmica, cada uno con distintos grados de eficiencia.

“Nuestros colegas están trabajando en estos módulos y nosotros los vamos a integrar. Cada módulo entregará flujos de hidrógeno de débito muy variable, de acuerdo al rendimiento de cada proceso, con lo cual la gestión de los distintos suministros hacia un sistema de almacenamiento único será el reto. De ahí, podremos derivar a una celda de combustible a fin de obtener electricidad. Es un trabajo que se va a realizar en paralelo por todos los grupos de trabajo de la unidad”, indicó Luis Patiño.

Conjuntarlos no es una tarea sencilla y, desde el aspecto tecnológico, el investigador prevé encontrarse con muchos problemas que servirán a la formación de recursos humanos que terminarán siendo expertos en este tipo de sistemas.

Para esto, el proyecto cuenta con la participación de distintas instituciones de la península de Yucatán vinculadas con el tema de energía renovable, como la Universidad Autónoma de Yucatán (Uady), la Universidad de Quintana Roo (UQRoo) y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinvestav IPN), unidad Mérida.

Obtención de glicerol con energía solar térmica

Como parte del proyecto Lenerse, Luis David Patiño López y Juan Carlos Chavarría Hernández, investigador de la Unidad de Energía Renovable, desarrollan el subproyecto “Diseño y construcción de un reactor de lecho fijo para la producción de hidrógeno a partir de glicerol, asistido por energía solar térmica”.

El glicerol es un subproducto de otros procesos industriales y su aprovechamiento para producir hidrógeno requiere de temperaturas de alrededor de 300 grados Celsius. “La idea es diseñar y construir un reactor para realizar este proceso pero que sea asistido por energía solar térmica. Queremos conseguir que al menos una parte del calor necesario para llegar a los 300 grados provenga directamente de la energía solar. Con esto se reduce la huella de carbono del proceso y se hace más viable”, indicó Luis Patiño.

Tecnologías híbridas de concentración

Otro proyecto tecnológico de la Unidad consiste en el desarrollo de un prototipo de un sistema de concentración solar fotovoltaico flotante. De acuerdo con Luis Patiño, existen tecnologías fotovoltaicas que consisten en celdas pequeñas en las que se concentra la luz a través de canales parabólicos o lentes de Fresnel, y lo interesante de estas es que no requieren tanto material como los paneles solares grandes que se utilizan comúnmente.

“El problema de estas tecnologías es que son un poco más caras y su temperatura de trabajo es importante, pues estás concentrando la luz fuertemente. Nosotros estamos planteando un prototipo que utilice este principio, que recupere una parte de ese calor para usarlo en donde haga falta y estamos evaluando la posibilidad de recuperar el calor residual mediante elementos termoeléctricos para convertirlo también en electricidad”.

De acuerdo con el investigador, se trata de un trabajo fuerte a nivel ingenieril que requiere un modelado integral, térmico-eléctrico que describa tanto la transferencia de calor en la estructura como la respuesta eléctrica.

Eficiencia, transferencia y uso adecuado de la energía

Para el doctor Víctor Manuel Ramírez Rivera, adscrito como candidato al Sistema Nacional de Investigadores (SNI), el trabajo que realiza como parte de la línea de investigación en sistemas híbridos de energía se enfoca en temas como eficiencia, transferencia y aprovechamiento de energía, que son de gran importancia en el estado actual de la transición energética.

“Mi idea parte del hecho de que como usuarios siempre se demanda incrementar la energía producida, múltiples y nuevas formas de generación, cuando una posible solución radica en mirar no solo a las fuentes de energía. Además debemos contemplar la red que está compuesta de cargas eléctricas y sistemas de transferencia”, apuntó.

En ese sentido, los investigadores se encargan de pensar en cómo hacerlas más eficientes, cómo pueden evitar las pérdidas en la transferencia de energía y cómo pueden evitar un uso desmedido de cargas eléctricas, que no contribuyen en una política adecuada sobre el manejo de la energía. “Finalmente, en la carrera por generar más energía, existe una medida de control que contrarresta esta tendencia y es el consumo adecuado de la energía”, indicó.

Los proyectos que desarrolla el investigador están enfocados principalmente en sistemas de gestión de la energía entre fuentes renovables, sistemas de almacenamiento y cargas eléctricas, empleando electrónica de potencia y herramientas de teoría de control. El grupo de investigación del doctor Víctor Ramírez está en la fase de desarrollo en la UER, que hasta ahora no contaba con un programa de formación para este campo.

Inversores de potencia de alta frecuencia con semiconductores de silicio de carburo

De acuerdo con el doctor Víctor Ramírez, los inversores tradicionales hechos con tecnología de silicio actualmente tienen ciclos de conmutación lentos que afectan la eficiencia de los sistemas de transferencia, por lo que el investigador desarrolló en conjunto con su grupo de investigación un sistema de potencia multinivel empleando transistores de silicio de carburo. Estos tienen la característica de conmutar a mayor frecuencia, permitiendo implementar algoritmos próximos a la teoría para reducir pérdidas.

“Un inversor o un convertidor está compuesto de un mínimo de transistores. Cuando hablamos de topologías multinivel, nos referimos a arreglos complejos con más de cuatro transistores. Nosotros desarrollamos sistemas de potencia con estas nuevas topologías, con el objetivo de transferir energía de un sistema a otro”, apuntó.

En términos generales, el principio de un inversor es convertir la corriente directa en corriente alterna. Un ejemplo de dónde se podrían implementar estos dispositivos es en el hogar, donde el consumo de energía de las cargas eléctricas está en corriente alterna (AC, por sus siglas en inglés) y el suministro, en caso de emplear energía renovable, está en corriente directa (DC, por sus siglas en inglés).

Para lograr hacer la conexión de esta pequeña red, se tendría que implementar un inversor de potencia que forma parte de esta. Este tipo de redes aisladas en la actualidad se convierte en una tendencia cada vez más frecuente.

El investigador indicó que esta tecnología existe desde hace mucho tiempo, aunque ha tenido cambios importantes. Así como anteriormente la electrónica usaba tecnología basada en bulbos, ahora se usan transistores de silicio, en un futuro probablemente de grafeno, y seguirá evolucionando hacia nuevas tecnologías.

“También estamos interesados en implementar convertidores de potencia en redes locales, y así como se transfiere energía de una fuente de DC a una de AC, estamos interesados en transferir energía de una de DC a una de DC, como es el caso de redes pequeñas como un vehículo eléctrico”, indicó.

Lo último refiere al proyecto “Diseño, construcción e implementación de un vehículo eléctrico autónomo para monitoreo de especies marinas” que desarrolla Víctor Ramírez, Enrique Escobedo y su grupo de investigación, donde se colabora de manera estrecha con el doctor Adán Caballero Vázquez, investigador de la Unidad de Ciencias del Agua del CICY, en Quintana Roo, para resolver la problemática de la vida en los arrecifes.

Aunque las topologías para convertidores de potencia son distintas y cumplen diversos objetivos, por el momento los investigadores trabajan únicamente con convertidores conectados a microrredes de energía con fuentes de generación híbrida. En la actualidad, el doctor Víctor Ramírez colabora con investigadores de Dynamical System and Ocean Robotics Laboratory, la Université París XI, la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP), el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (Ipicyt), el Instituto Politécnico Nacional (IPN) y la Universidad de Yucatán.

Política pública en energías renovables

De acuerdo con Luis Patiño López, el estado de Yucatán es ligeramente deficitario energéticamente, es decir, se consume un poco más de lo que se genera en la actualidad, por lo que depende de la interconexión con los suministros del sistema nacional. Ante este panorama, fueron aprobados 18 proyectos a nivel nacional de generación de energía renovable y nueve de estos se realizarán en Yucatán.

En el marco de estos proyectos, el investigador recibió la tarea de representar al CICY en el Comité Estatal de Energía Renovable, organismo que cuenta con la participación de universidades, centros de investigación, cámaras industriales y representantes de secretarías gubernamentales. “Es un comité que tiene voz en cuanto al tema de las renovables en el estado y que puede ser vehículo para generar política pública”, resaltó.

Fuente: CONACYT.