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Medio Ambiente y Desarrollo Sustentable Artículo arbitrado
Resumen
La demanda mundial de energía crece consistentemente a la par
del desarrollo social y económico, conduciendo a aumentar las
emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) como el dióxido
de carbono (CO2). Reemplazar o apoyar instalaciones de
generación de energía eléctrica basadas en combustibles fósiles
con opciones de energía renovable, como la energía solar
fotovoltaica, reduciría las emisiones de GEI, minimizando los
efectos del cambio climático y además promoviendo el desarrollo
de las comunidades urbanas y rurales. México se encuentra
ubicado en una región con una radiación solar muy alta (cinturón
solar), siendo un país muy atractivo para las instalaciones
fotovoltaicas. Chihuahua es uno de los estados con mayor
radiación, dada su vasta área, se ha requerido un estudio más
detallado para identificar las zonas de mayor potencial
fotovoltaico. En esta investigación se construyó un modelo de
geoprocesamiento utilizando el software ArcGIS® 10.2.1. El
modelo fue capaz de identificar y clasificar claramente 8,660
km2 de áreas con alto potencial fotovoltaico; en perspectiva, el
estado de Chihuahua requeriría sólo 23.74 km2 para satisfacer
plenamente su demanda de generación eléctrica, lo que refleja
la abundancia del recurso natural en Chihuahua y su potencial
fotovoltaico.
Palabras clave: cambio climático, Chihuahua, desarrollo
sustentable, modelo de potencial fotovoltaico.
Abstract
Global energy demand has been growing along time to support
social and economical development, while leading to increase
emissions of green house gasses (GHG), such as carbon dioxide
(CO2). Replace or support electrical power generation facilities
based on fossil fuels with renewable energy options, such as
solar photovoltaic technology, would decrease emissions of
GHG, thus it would help to minimize the effects of climate change,
and furthermore, would assist in the development of city and
rural communities. Mexico, located within a region with a very
high solar radiation (Sunbelt), is a very attractive country for
photovoltaic installations, being that Chihuahua is one of the
states with higher radiation, however given its vast area; it has
required a more detailed study to identify the highest photovoltaic
potential zones. In this research it was built a geoprocessing
model using ArcGIS® 10.2.1 software. The model was able to
clearly identify and classify 8,660 km2 of highly photovoltaic
potential areas, in perspective, Chihuahua State would require
only 23.74 km2 of them to fully meet its electrical generation
demand, this reflects the abundance of the natural resource on
Chihuahua and its photovoltaic potential.
Keywords: Climate change, Chihuahua, photovoltaic potential
model, sustainable development.
Modeling of photovoltaic potential in Chihuahua State
MYRNA C. NEVÁREZ-RODRÍGUEZ1,3, ESTEFANÍA ESTRADA-DE LA CRUZ1, M. CECILIA VALLES-
ARAGÓN1, CARLOS BAUDEL MANJARREZ-DOMÍNGUEZ1, MARIO A. SIGALA BUSTAMANTE2
_________________________________
1 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIHUAHUA. Facultad de Ciencias Agrotecnológicas. Circuito Interior, Campus # 1, Chihuahua, Chih., México,
31200. Tel (614) 439-1844.
2 HORIZON A PPLIED TECHNOLOGIES AND SERVICES. Chihuahua, Chih. México.
3 Dirección electrónica del autor de correspondencia: mcnevarez@uach.mx.
Recibido: Noviembre 11, 2016 Aceptado: Diciembre 15, 2016
Modelado del potencial fotovoltaico del
estado de Chihuahua
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La demanda de energía eléctrica para apoyar el desarrollo social y económico ha
aumentado a través del tiempo. El uso de combustibles fósiles ha crecido y ha
causado una mayor producción de gases de efecto invernadero (GEI), principalmente
de dióxido de carbono (CO2) (IPCC, 2011). El sector energético mexicano contribuyó a las
emisiones de GEI con 503,817.6 gigagramos de bióxido de carbono equivalentes (Gg de
CO2 eq.). En 2010 la generación de energía eléctrica contribuyó con 115,537.4 Gg de CO2
eq. (INECC, 2013), debido a que el 79 % de la electricidad en México se produce con el uso
de combustibles fósiles en centrales termoeléctricas y carbo eléctricas (SENER, 2015).
Introducción
MYRNA C. NEVÁREZ-RODRÍGUEZ, ESTEFANÍA ESTRADA-DE LA CRUZ, M. CECILIA VALLES-ARAGÓN, CARLOS BAUDEL MANJARREZ-DOMÍNGUEZ,
MARIO A. SIGALA-BUSTAMANTE: Modelado del potencial fotovoltaico del estado de Chihuahua
El uso de energías renovables, como la
energía solar fotovoltaica, disminuye las
emisiones de CO2 (Irandoust, 2016; Ren et al.,
2016), mejora el medio ambiente, incrementa
la calidad del aire y mejora la salud pública
(Wiser et al., 2016); además de reducir las
emisiones de GEI, mitiga los efectos del cambio
climático (Ould-Amrouche et al., 2010; Breyer
et al., 2015, Moran y Natarajan, 2015), y su uso
es una opción económica y ecológicamente
factible (Breyer et al., 2015).
En la actualidad, se presta cada vez más
atención al desarrollo sostenible, y el uso de la
energía fotovoltaica se considera como un
indicador de sostenibilidad de las ciudades
(Kýlkýs, 2016). Es una opción técnica y
económicamente viable en aplicaciones
residenciales urbanas (Okoye et al., 2016), así
como en aplicaciones rurales (Afsharzade et al.,
2016) donde el desarrollo social ha venido en
aumento, permitiendo el reemplazo de lámparas
de queroseno contaminantes, estufas de
cocina, sistemas de comunicación, mayor
seguridad a través de lámparas de servicio
público y mejor salud mediante el mantenimiento
de vacunas y alimentos refrigerados (IPCC,
2011).
La Asociación Europea de la Industria
Fotovoltaica establece que México, además de
ubicarse dentro del cinturón solar (EPIA, 2010),
tiene un alto potencial fotovoltaico, y está dentro
de los cinco mejores países del mundo con
mayor atractivo para esta energía renovable
(Alemán-Nava et al., 2014).
Los objetivos de este estudio fueron: (i)
construir un modelo de geoprocesamiento para
determinar el potencial fotovoltaico en Chihuahua,
(ii) calcular el potencial fotovoltaico para
Chihuahua, (iii) identificar las regiones con mayor
potencial y determinar su extensión en km2 y, iv)
comparar si las áreas con mayor potencial
fotovoltaico son suficientes para satisfacer la
demanda de generación eléctrica de Chihuahua.
Materiales y métodos
Área de estudio
El estado de Chihuahua se encuentra en el
norte de México, limita con los Estados Unidos
de América; está entre los paralelos 25° 33' 32"
y 31° 47' 04" latitud norte, y los meridianos 103°
18' 24" y 109° 04' 30" longitud oeste (Figura 1).
Chihuahua es el estado más grande de México;
su extensión es de 247,460 km2, lo que represen-
ta un 12.6 % del territorio mexicano (INEGI, 2015).
Modelado del potencial fotovoltaico
Se creó un modelo de geoprocesamiento
para realizar un análisis espacial del potencial
fotovoltaico con el fin de identificar las zonas más
adecuadas para parques solares en Chihuahua.
El software utilizado para construir el modelo fue
ArcGIS® 10.2.1; el modelo utilizó la herramienta
de radiación solar, la cual calcula la radiación
global por cuenca hemisférica y obtiene la
radiación total para cada punto del modelo digital
de elevación (MDE). La herramienta de radiación
de área solar se basa en modelos previamente
desarrollados y ampliados por Fu y Rich (Rich,
1994; Rich y Fu, 2000 y 2002).
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Figura 1. Localización del área de estudio, estado de Chihuahua.
El modelo digital de elevación (MDE) del
estado de Chihuahua, con una resolución
espacial de 60 m, fue descargado del Instituto
Nacional de Estadística Geografía e Informática
(INEGI, 2015).
La herramienta de radiación de área solar
es adecuada para ser utilizada en áreas
pequeñas, por lo cual el MDE fue segmentado
en 20 elementos. El modelo utiliza primero un
bloque para convertir las unidades de medida en
unidades estándar utilizadas por otros autores
(kWh/m2/año); la salida fue entonces ponderada
por la eficiencia de conversión de las celdas
solares (15 %) y finalmente comparada con un
umbral para determinar las áreas con los valores
más altos de potencial fotovoltaico.
El modelo de geoprocesamiento se ejecutó
en cada segmento del MDE para simular el
potencial fotovoltaico en el periodo comprendido
del 1 de enero al 31 de diciembre de 2015,
posteriormente, los segmentos se unieron para
formar los rasters de salida: raster de potencial
fotovoltaico y raster de áreas de interés.
Post procesamiento y cálculo de zonas con
alto potencial fotovoltaico
Los rasters de potencial fotovoltaico y el de
áreas de interés se procesaron posteriormente
para eliminar las zonas no viables como los lagos.
El potencial fotovoltaico se clasificó en un
mapa de color de seis clases, utilizándose
también para determinar el potencial fotovoltaico
mínimo, medio y máximo.
El raster de las áreas de interés se clasificó
en un mapa de color de dos clases (menor y
mayor potencial fotovoltaico), posteriormente se
convirtió en un archivo con formato shape para
calcular el área total de alto potencial
fotovoltaico; finalmente, se agregó el shape de
los límites municipales para determinar qué
municipios tenían un mayor potencial.
Análisis de la demanda de generación
eléctrica
El área requerida para satisfacer la
demanda eléctrica con instalaciones de
parques solares se calculó utilizando como
base la generación bruta de electricidad para
Chihuahua en 2015 (SENER, 2015) y luego se
dividió por la tasa de generación eléctrica por
m2 calculada para las áreas de alto potencial
fotovoltaico. El área requerida se comparó con
el tamaño total del área de alto potencial
fotovoltaico.
Resultados y discusión
Modelo del potencial fotovoltaico
Este modelo fue capaz de identificar y
clasificar áreas con mayor potencial fotovoltaico
para la instalación de parques solares. El
modelo ofrece una variedad de salidas para
procesamiento adicional, como la radiación
solar global total, el potencial fotovoltaico y las
áreas de interés (Figura 2).
Potencial fotovoltaico de Chihuahua
El modelo de geoprocesamiento produjo un
raster de potencial fotovoltaico anual para el
estado de Chihuahua con una resolución espacial
de 60 m, un rango de 0-707 kWh/m2/año y una
media de 295 kWh/m2/año (Figura 3).
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Figura 2. Modelo del potencial fotovoltaico.
Figura 3. Potencial fotovoltaico del estado de Chihuahua. Figura 4. Áreas con alto potencial fotovoltaico en el estado de
Chihuahua.
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Áreas con alto potencial fotovoltaico del
estado de Chihuahua
Las zonas más adecuadas para parques
solares fueron seleccionadas por el modelo con
una superficie total de 8,660 km2, lo que
representa sólo el 3.5% del estado de
Chihuahua. Los municipios con mayores áreas
de alto potencial fotovoltaico son: Ascensión,
Ahumada, Juárez, Janos, Aldama, Chihuahua,
Cuauhtémoc, Meoqui, Jiménez, Allende, Casas
Grandes y Coyame del Sotol (Figura 4).
Análisis de la demanda de generación eléctrica.
Chihuahua tuvo una generación eléctrica
anual de 15,428,281 MWh/año para el 2015
(SENER, 2015), la cual se dividió por el tasa de
generación potencial de 650 kWh/m2/año
(convertido a 650,000 MWh/km2/año para usar
las mismas unidades de la generación eléctrica)
para calcular el área requerida en términos de
km2. El área necesaria para cubrir la demanda
de electricidad para Chihuahua fue de 23.74
km2, que es menor que el área identificada por
el modelo (8,660 km2).
El Laboratorio Nacional de Energía Renovable
(NREL, 2016) publica mapas de radiación solar
diaria promedio con una resolución espacial de
40 km para el área de México; con fines de
comparación, el mapa de radiación del NREL fue
procesado con ArcGIS® 10.2.1 para extraer
solamente la información del estado de
Chihuahua, obteniendo una radiación diaria
promedio de 5.8 kWh/m2/día para el estado. Para
obtener los mismos datos del modelo construido
en este estudio, se calculó la radiación diaria
promedio para el estado de Chihuahua dividiendo
el raster de radiación global anual entre 365 días,
resultando en una radiación diaria promedio de
5.4 kWh/m2/día que es muy similar al calculado
con el mapa del NREL.
Este modelo permitió identificar y clasificar
las zonas con mayor potencial fotovoltaico. Se
destaca que seleccionar sitios con esta
metodología ayuda a generar 2.20 veces más
electricidad (650 kWh/m2/año) en lugar de
seleccionar sitios aleatoriamente (295 kWh/m2/
año), haciendo de este modelo de geoprocesa-
miento una muy buena herramienta para esta y
otras aplicaciones de radiación solar en México,
dada la ausencia de datos calibrados a largo
plazo para la radiación solar de estaciones
meteorológicas (Valdes-Barrón et al., 2014).
Las energías renovables tienen un gran
potencial para el desarrollo sostenible, siempre y
cuando se resuelvan los problemas relacionados
con las políticas gubernamentales, las tecnologías,
la infraestructura, la financiación y la gestión
(incluidos los subsidios) (Cancino-Solórzano et al.,
2010; Breyer et al., 2015; Afsharzade et al., 2016;
Rasul, 2016; Wiser et al., 2016).
El potencial fotovoltaico de Chihuahua para
la generación de electricidad, exclusivamente
en las áreas de alto potencial, no solo supera
las necesidades de electricidad de Chihuahua,
sino que es 21 veces más alto que las
necesidades actuales de México.
Actualmente, la Ley de Cambio Climático del
Estado de Chihuahua (2014) apoya y promueve
el uso de energías renovables, también la Ley
de la Industria Eléctrica Mexicana (2014) ha
establecido metas para promover el desarrollo
sostenible de la industria eléctrica mediante el
uso de energías limpias con la adquisición de
certificados de energía limpia.
La reforma energética mexicana (2013) se
considera una reforma verde, ya que facilitará
las inversiones privadas en el desarrollo y
despliegue tecnológico, adoptando energías
menos contaminantes como la energía solar.
Conclusiones
El modelo de geoprocesamiento fue capaz
de identificar y clasificar las áreas con mayor
potencial, presentando resultados similares a los
laboratorios internacionales, pero además este
modelo tiene una mayor resolución espacial, lo
que lo hace apto para la selección de sitios para
parques solares. El modelo fue capaz de identificar
8,660 km2 del territorio de Chihuahua donde los
parques solares serían 2.20 veces más eficientes
que el promedio estatal, de hecho solo 23.74 de
8,660 km2 son necesarios para satisfacer plena-
mente su demanda de electricidad. Este resultado
refleja la abundancia de energía solar en Chihuahua,
que en las zonas seleccionadas es 364 y 21 veces
superior a la de los requerimientos de electricidad
en Chihuahua y México, respectivamente.
MYRNA C. NEVÁREZ-RODRÍGUEZ, ESTEFANÍA ESTRADA-DE LA CRUZ, M. CECILIA VALLES-ARAGÓN, CARLOS BAUDEL MANJARREZ-DOMÍNGUEZ,
MARIO A. SIGALA-BUSTAMANTE: Modelado del potencial fotovoltaico del estado de Chihuahua
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Literatura citada
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MYRNA C. NEVÁREZ-RODRÍGUEZ, ESTEFANÍA ESTRADA-DE LA CRUZ, M. CECILIA VALLES-ARAGÓN, CARLOS BAUDEL MANJARREZ-DOMÍNGUEZ,
MARIO A. SIGALA-BUSTAMANTE: Modelado del potencial fotovoltaico del estado de Chihuahua
• Vol. X, Núm. 3 • Septiembre-Diciembre 2016 •160
Este artículo es citado así:
Nevárez-Rodríguez, M.C., E. Estrada-De la Cruz, M. C. Valles-Aragón, C. B. Manjarrez-Domínguez, M. A. Sigala-
Bustamante. 2016. Modelado del potencial fotovoltaico del estado de Chihuahua. TECNOCIENCIA Chihuahua
10(3):154-160.
Resumen curricular del autor y coautores
MYRNA NEVÁREZ RODRÍGUEZ. Terminó su licenciatura en 2006, año en que le fue otorgado el título de Ingeniero en Ecología por la Facultad
de Zootecnia y Ecología de la Universidad Autónoma de Chihuahua (UACH). Realizó su posgrado en la misma facultad, donde
obtuvo el grado de Maestro en Ciencias en el área de Manejo de Recursos Naturales en 2010 y el grado de Doctor en Ciencia y
Tecnología Ambiental en 2014 por el Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV). Del 2011 al 2016 laboró en la
Facultad de Ciencias Agrotecnológicas de la UACH como profesor de hora clase y en septiembre del 2016 obtuvo la categoría de
Académico titular B. Su línea de investigación se enfoca al área ambiental con especialización en manejo de recursos naturales e
impacto ambiental. Ha dirigido 2 tesis de licenciatura y actualmente dirige 3 de maestría. Es autora de 2 artículos científicos
indexados en JCR y 3 ponencias en congresos.
ESTEFANÍA ESTRADA DE LA CRUZ. Terminó su licenciatura en 2016, año en que le fue otorgado el título de Ingeniero en Desarrollo Territorial
por la Facultad de Ciencias Agrotecnológicas de la Universidad Autónoma de Chihuahua (UACH), realizó sus prácticas profesionales
en el Instituto de Ecología (INECOL). Actualmente labora como extensionista rural en el municipio de Santa Isabel, Centro de
extensión e innovación rural CEIR-UACH-SAGARPA.
CECILIA VALLES ARAGÓN. Culminó la licenciatura en Ingeniería Civil en la Universidad Autónoma de Chihuahua en 2004 y la maestría en
Ciencia y Tecnología Ambiental en el Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV) en 2008. Consecutivamente,
obtuvo el grado de Doctor en Ciencia de Materiales por el CIMAV en 2013. Es Docente Investigador Titular C de la Universidad
Autónoma de Chihuahua en la Facultad de Ciencias Agrotecnológicas desde 2014 a la fecha. Es Perfil Deseable para Profesores
de Tiempo Completo desde Junio 2016. Pertenece al Sistema Nacional de Investigadores Nivel C desde Enero de 2015. Su área de
investigación es Medio Ambiente, especializado en Problemas Ambientales y Aplicación de Ecotecnologías. Tiene bajo su dirección
un proyecto de Ciencia Básica SEP-CONACYT como Joven Investigador vigente Agosto 2015 - Agosto 2018 y cuenta con 6
publicaciones en revistas JCR.
CARLOS MANJARREZ DOMÍNGUEZ. En el año 2001 egresó de la Facultad de Ciencias Agrotecnológicas de la Universidad Autónoma de
Chihuahua. En 2004 obtuvo el grado de Maestro en Ciencias especialidad en Manejo de Recursos Naturales por la Facultad de
Zootecnia y Ecología (UACH). Posteriormente realizó estudios de doctorado en la misma área. Del 2003-2010 laboró en Fundación
Produce Chihuahua A. C. como Jefe del Área Técnica, donde realizó actividades de detección de demandas y oportunidades de los
productores, evaluación y seguimiento de proyectos de investigación, validación y transferencia de tecnología. Del 2005-2009,
profesor de tiempo parcial en la Facultad de Ciencias Agrícolas y Forestales, y del 2007 a la fecha Profesor Investigador de Tiempo
Completo en la Facultad de Ciencias Agrotecnológicas de la Universidad Autónoma de Chihuahua; actualmente con categoría ATC
y posee el perfil Prodep. Su línea de investigación es gestión y desarrollo territorial aplicado a la producción sustentable de
alimentos. Ha dirigido 17 tesis de licenciatura y posgrado, tiene 7 artículos publicados en revistas JCR. Ha dirigido 7 proyectos de
investigación. Desde 2011 es miembro del comité técnico de evaluación de Fundación PRODUCE Chihuahua A. C. Es consejero
técnico del SNITT de la SAGARPA y Presidente del Consejo Orgánico Ambientalista Chihuahua A.C. Es miembro del Sistema Nacional
de Investigadores SNI en el Nivel 1 y a partir Octubre 2016 Secretario Adjunto de Recursos Hidráulicos en la Confederación
AGRONÓMICA Nacional.
MARIO ALBERTO SIGALA BUSTAMANTE. Terminó su licenciatura en 1998, año en que le fue otorgado el título de Ingeniero Electrónico por el
Instituto Tecnológico de Chihuahua. Desde 1999 labora en la industria maquiladora y ha estado en posiciones que incluyen
Gerencias de Ingeniería y de Calidad. Durante su carrera ha dirigido 6 prácticas profesionales como opción a titulación de
licenciatura. Ha creado desarrollos tecnológicos que incluyen uso de microprocesadores en el diseño de equipo de laboratorio para
pruebas de polímeros, hornos de tratamiento térmico de grado y certificación aeroespacial, equipos de prueba de conductividad y
dureza, medidores de índice de vegetación, redes inalámbricas para monitoreo remoto, así como diversos proyectos con bases de
datos y páginas de internet. Desde 2016 abrió una consultoría, Horizon Applied Technology and Services, dedicada a la investigación
científica, desarrollo tecnológico e implementación de servicios y nuevas tecnologías en la industria.
MYRNA C. NEVÁREZ-RODRÍGUEZ, ESTEFANÍA ESTRADA-DE LA CRUZ, M. CECILIA VALLES-ARAGÓN, CARLOS BAUDEL MANJARREZ-DOMÍNGUEZ,
MARIO A. SIGALA-BUSTAMANTE: Modelado del potencial fotovoltaico del estado de Chihuahua
