UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS VALLES CENTRALES DE OAXACA.
INVESTIGACIÓN
DOCENTE: MC. CÉSAR RAMÍREZ LÓPEZ ALUMNO: LUIS ENRIQUE CABRERA NOLASCO
OAXACA DE JUAREZ, OAX. A 29 DE JULIO DEL 2016.
Contenido 1
2
Energía maremotérmica. maremotérmica. .................................................... .............................................................................. .............................. .... 1 1.1
Principio de funcionamiento funcionamiento .............................................................. ....................................................................... ......... 1
1.2
Caracteristicas Caracteristicas de la turbina................................................. ....................................................................... ...................... 1
1.2.1
Sistemas de ciclo abierto................................................... .................................................................... .................. 3
1.2.2
Sistemas de ciclo cerrado.................................................. ................................................................... .................. 4
1.2.3
Sistema de ciclo hibrido................................................. ...................................................................... ...................... 5
1.3
Capacidad Capacidad ................................................... ............................................................................ ............................................... ...................... 6
1.4
Impacto ambiental ....................................... ................................................................ ............................................... ...................... 6
1.5
Lugares de aplicación aplicación .................................................. ............................................................................ .............................. .... 7
Energía maremotriz .............................. ........................................................ ................................................... .................................. ......... 8
2.1
Principio de Funcionamiento ................................................ ................................................................. .................. 8
2.2
Las corrientes marinas ................................................... ............................................................................. .......................... 8
2.3
........................................................................... ........ 9 Formas de generación ....................................................................
2.3.1
............................................ 9 Generador de la corriente de marea ............................................
2.3.2
........................................................................... .............................. .... 9 Presas de marea .................................................
2.4
3
......................................................................... .................................... ........... 10 Tipos de turbinas ................................................
2.4.1
............................................................................ ................ 10 Sistema Lanstrom .............................................................
2.4.2
.............................................................................. ...... 11 Sistema Seagen .........................................................................
2.5
Sistema Thawt ................................................ ......................................................................... ......................................... ................ 12
2.6
Presas de marea ............................ ...................................................... ................................................... ................................ ....... 13
2.7
Capacidad Capacidad ................................................... ............................................................................ ............................................. .................... 14
Energía olamotriz o undimotriz marina. ................................................... .......................................................... ....... 16 3.1
Principios Principios de funcionamiento funcionamiento ............................................... ................................................................... .................... 16
3.1.1
Tecnología Tecnología OWC (Oscillating Water Column) ................................... ................................... 17
3.1.2
Tecnología TAPCHAN (Tapered Channel Wave Power Device) ....... 18
3.1.3
Tecnología Tecnología WAVE ROLLER .................................. ........................................................... ............................ ... 18
3.1.4
Tecnología Tecnología CETO .................................................. ............................................................................ ............................ .. 19
3.1.5
Pelamis (Serpiente (Serpiente Marina) ........................................................ ............................................................... ....... 20
3.1.6
Salter Duck (Pato de Salter). .................................................. ............................................................. ........... 20
3.1.7
AWS- Archimedes Archimedes Wave Swing................................. Swing......................................................... ........................ 21
3.1.8
Wave Dragon (Dragón de las olas)................................................. .................................................... ... 22 ii
3.2
Características de la turbina (potencia) .................................................... 22
3.3
Impacto ambiental .................................................................................... 22
3.4
Aplicaciones actuales. .............................................................................. 23
iii
iv
Ilustración 1 Cambio de temperatura a diferentes profundidades ........................... 1 Ilustración 2 Central maremotérmica....................................................................... 2 Ilustración 3 Esquema de una central térmica ......................................................... 2 Ilustración 4 Turbina de Vapor ................................................................................ 3 Ilustración 5 Esquema de sistema de ciclo abierto .................................................. 4 Ilustración 6 Esquema de ciclo Cerrado .................................................................. 5 Ilustración 7 Esquema de ciclo hibrido .................................................................... 5 Ilustración 8 Corrientes marinas ........................................................................... 8 Ilustración 9 Turbinas de corriente marina tipo Lanstrom ............................... 11 Ilustración 10 Turbina tipo Seagen .................................................................... 12 Ilustración 11 Turbina tipo Thawt ....................................................................... 13 Ilustración 12 Diagrama básico de funcionamiento de presas de marea .. 13 Ilustración 13 Turbina sumergible de la planta La Rance Francia. ................ 14
Ilustración 14 Grafica de generación de energía actual de turbinas de corrientes marinas. .............................................................................................. 14 Ilustración 15 Tecnologías usadas para extraer energía de las olas. .................... 17 Ilustración 16 Principio de funcionamiento OWC .................................................. 17 Ilustración 17 Ocean WAVE Plant ......................................................................... 18 Ilustración 18 Tecnología WAVE ROLLER............................................................ 18 Ilustración 19 Boyas. ............................................................................................ 19 Ilustración 20 Funcionamiento de una planta de Energía undimotriz con tecnología tipo CETO.............................................................................................................. 19 Ilustración 21 Convertidor de energía de olas. ...................................................... 20 Ilustración 22 Funcionamiento de Duck ................................................................ 21 Ilustración 23 Generador tipo AWS ....................................................................... 21 Ilustración 24 Funcionamiento de tecnología Wave Dragon. ................................ 22
v
1 Energía maremotérmica. 1.1
Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento de este tipo de centrales es aprovechar el gradiente de temperatura que existe entre la parte superficial del mar y partes profundas menores a los mil metros. En la ilustración 1, es representado esquemáticamente el comportamiento de la temperatura a diferentes profundidades.
Ilustración 1 Cambio de temperatura a diferentes profundidades
Este gradiente térmico oceánico supone una importante fuente de energía, denominada energía maremotérmica, la cual puede ser aprovechada para producir electricidad mediante la utilización de una máquina térmica que, operaría de forma idéntica a una central térmica convencional. 1.2
Caracteristicas de la turbina
Para aprovechar dicha energía son utilizados las maquinas térmicas, estas son mecanismos cíclicos que reciben calor de una fuente caliente (de alta temperatura), producen un trabajo neto y eliminan calor a un sumidero térmico de baja temperatura; cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el sumidero, mayor será la eficiencia teórica de conversión de energía. A continuación expongo el diagrama del proceso de conversión dentro de una
1
central maremotérmica y con una central térmica convencional, teniendo el mismo tipo de aplicación para la generación de energía eléctrica.
Ilustración 2 Central maremotérmica
Ilustración 3 Esquema de una central térmica
En estas plantas, transforman la energía térmica a energía eléctrica utilizando el ciclo Rankine, este ciclo emplea energía para evaporar un líquido, ese vapor es aprovechado para accionar la turbina correspondiente, la cual es acoplada a un
2
generador eléctrico para la producción de energía eléctrica. En la ilustración comparto el esquema de una turbina de vapor.
Ilustración 4 Turbina de Vapor
Este tipo de centrales, poseen una cámara de vacío, esta cámara tiene la tarea de extraer la presencia de aire, al extraer dicho elemento la temperatura de ebullición del mar disminuye, es por esto que el agua superficial del mar puede llegar a evaporarse y posteriormente aproecharlo. Existen tres tipos de sistemas para el aprovechamiento de este tipo de energía:
1.2.1
Sistemas de cicloabierto. Sistemas de ciclo cerrado Sistemas de ciclo hibrido Sistemas de ciclo abierto.
En el sistema de ciclo abierto, denominado también ciclo de Claude, se usa el agua caliente de la superficie del océano como fluido de trabajo para accionar la turbina. El agua caliente se evaporiza súbitamente en un evaporador en el que previamente se ha extraído el aire, con una bomba de vacío. Al disminuir la presión en el evaporador por falta de aire, también disminuye la temperatura de ebullición del agua de mar, por lo que ésta hierve a la temperatura en que se encuentra en la superficie del mar. En el evaporador se obtiene una mezcla de vapor y agua líquida a la presión de saturación correspondiente a la temperatura del agua. El vapor separado del agua líquida pasa a través de una turbina de expansión, accionándola, y seguidamente se dirige a un condensador, en el que se obtiene de nuevo agua líquida saturada a una presión y temperatura aproximadas de 0,017 3
bares y 15ºC, respectivamente. El condensador, de los denominados de contacto directo, utiliza el agua fría del mar como fluido refrigerante. El agua líquida procedente del evaporador y del condensador se retorna al mar. El proceso se repite con continuos suministros de agua caliente y fría.
Ilustración 5 Esquema de sistema de ciclo abierto
1.2.2
Sistemas de ciclo cerrado.
Las ventajas del ciclo abierto frente al cerrado son: 1. El uso del agua como fluido térmico, permite emplear materiales más baratos que si se utilizara amoníaco u otros fluidos similares. 2. Producen agua dulce a la salida del condensador. 3. Requieren menos cantidad de agua para producir la misma energía que el cerrado, ya que no tienen las pérdidas en el calentador de amoníaco que tiene el ciclo cerrado. 4. El intercambiador de calor al amoníaco en los ciclos cerrados es muy grande, ya que debe de circular mucha agua, y ésto encarece el sistema. Los inconvenientes del ciclo abierto frente al cerrado son: 1. Los efectos corrosivos del agua de mar y la necesidad de tratarla y desgasificarla para poder introducirla en la turbina. 2. Utilizan una turbina mucho más grande que en el ciclo cerrado, ya que en este último se usa un vapor a más presión que en el primero.
4
Ilustración 6 Esquema de ciclo Cerrado
1.2.3
Sistema de ciclo hibrido.
El agua caliente del mar entra en un evaporador donde es súbitamente evaporada, de forma similar a lo que ocurre en un proceso de evaporación de ciclo abierto. El calor del vapor obtenido se utiliza para vaporizar el fluido de trabajo, de bajo punto de ebullición, que circula en un ciclo cerrado. El fluido vaporizado acciona una turbina que produce electricidad. El vapor obtenido del agua de mar se condensa dentro de intercambiador de calor proporcionando agua desalinizada, que puede ser utilizada para consumo humano, agrícola etc.
Ilustración 7 Esquema de ciclo hibrido
5
1.3
Capacidad
Globalmente este tipo de tecnología es empleado a menor escala, esto se debe que aún está en proceso de aplicación ya que instalar una de estas centrales genera un conflicto económico poco redituable. Ante esto la unión europea ha estimado que para diferentes tipos de escenarios se establecerá cierto potencial en algunos años. Un escenario corresponde a pequeñas islas, donde los costos de generar electricidad y agua potable son altos. En tales sitios una planta maremotérmica instalada en tierra de 1MW y con desalinización de agua, podría competir económicamente hoy día. Sin embargo, son pocos los lugares en el mundo que presentan este escenario. Un segundo escenario corresponde a condiciones que pueden presentarse en varias islas. En este escenario, plantas maremotérmicas de 10MW ubicadas en tierra podrían suministrar electricidad y agua desalinizada a costos competitivos. Se estima que dentro de 20 años, en diversas islas del Pacifico, hayan sido instalados un total de 100 a 300MW. Un tercer escenario corresponde a plantas maremotérmicas híbridas, situadas en tierra, para un mercado de naciones industrializadas. En este escenario se emplearían plantas de 50MW o de mayor capacidad y podría tener un costo del doble del costo del fuel oil o del costo agua producida.
1.4
Impacto ambiental
Algunos autores señalan que este tipo de energía, como todo sistema ventajas y desventajas, citaremos algunas: 1. Plantas maremotérmicas adecuadamente diseñadas producen poco o nada de dióxido de carbono u otras sustancias químicas contaminantes que contribuyen a la lluvia ácida o al calentamient o global (el “efecto invernadero”)
2. Los sistemas maremotérmicos pueden producir agua potable y electricidad. Esto constituye una ventaja significativa en islas donde el agua potable escasea. 3. Hay suficiente energía solar almacenada en las capas calientes superficiales del agua de los mares tropicales para cubrir la mayor parte de las actuales necesidades energéticas de la humanidad. 4. El empleo de plantas maremotérmicas como fuente de electricidad ayudará a reducir la dependencia de los combustibles fósiles importados. 5. El agua fría del mar procedente de los procesos maremotérmicos puede tener diversos usos adicionales, incluyendo acondicionamiento de aire de edificios, acuicultura, crustáceos, algas marinas y otras plantas marinas que encuentran en estas aguas profundas muchos nutrientes. 6
Desventajas 1. Las plantas maremotérmicas producen electricidad actualmente a un costo superior al que se obtiene mediante el empleo de combustibles fósiles. Los costos de la electricidad podrían reducirse significativamente si la planta operase sin importantes revisiones en 30 años o más, pero no se disponen de datos sobre los ciclos de vida de estas plantas. 2. Las plantas maremotérmicas deben instalarse donde existan diferencias de temperatura a lo largo del año de 20ºC. Las profundidades del océano deben estar disponibles muy cerca de la costa para economizar las operaciones 3. Aunque se han realizado numerosos ensayos de plantas maremotérmicas de pequeña escala, se precisa de la construcción de una planta piloto o de demostración de tamaño comercial para obtener una mayor información de su viabilidad. 4. La construcción de plantas maremotérmicas y la colocación de tuberías en las aguas costeras pueden causar un daño localizado a los arrecifes y ecosistemas marinos cercanos. 5. Son necesarios algunos desarrollos adicionales de componentes claves para que las futuras plantas maremotermicas tengan éxito (Por ejemplo, que las tuberías para extracción del agua de las profundidades marinas sean menos costosas; construcción de turbinas de menor presión y condensadores más apropiados para los sistemas de ciclo abierto, etc.) 1.5
Lugares de aplicación
Los lugares de aplicación para este tipo de centrales corresponden a pequeñas islas donde los costos de producción de energía eléctrica y agua potable son muy altos. Para que haya un proceso sustentable en algunas islas del pacifico se dedican a aprovechar el vapor de agua que es condesando que es obtenido a temperaturas bajas, que sirven para el desarrollo de la acuicultura sustentable. Japón un país que no posee recursos para la producción de energía eléctrica, y al comprar petróleo y energía eléctrica a otros países, decidió investigar sobre este tipo de centrales para en un futuro depender de ellas.
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2 Energía maremotriz 2.1 Principio de Funcionamiento Las mareas son una fluctuación del nivel de las aguas de los océanos producidas por la atracción gravitatoria de la Luna, el Sol, y la rotación de la Tierra. Cerca de la costa, los niveles del agua pueden variar hasta 15 metros entre Pleamar (nivel más alto) y Bajamar (nivel más bajo). La energía mareomotriz es aquella que se obtiene a partir del aprovechamiento de los movimientos de las masas de aguas costeras ocasionadas por las mareas. La diferencia de alturas puede aprovecharse mediante dispositivos con partes móviles que se acoplan al proceso natural de ascenso o descenso de las aguas. Se puede utilizar el sistema para la generación eléctrica, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica. Esta tiene la cualidad de ser renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es limpia, ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o solidos Una de las principales ventajas de la energía mareomotriz es que se presenta de modo más constante y predecible que la energía eólica y la energía solar. Solo es necesario asegurar que en la costa tenga una amplitud de marea no menor a 4 metros para asegurar una buena y económica producción de la energía eléctrica. 2.2 Las corrientes marinas Son los movimientos permanentes de traslación de masas de agua en los océanos y en mares, ya sean profundas o superficiales. Se originan por el movimiento de rotación terrestre, los vientos planetarios y la configuración de las cosas y continentes.
Ilustración 8 Corrientes marinas
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Las corrientes frías provienen de los polos y de zonas profundas. Influyen en el continente ya que generan climas secos. Las corrientes frías ascienden al acercarse al ecuador y se convierten en corrientes cálidas que provocan climas húmedos. 2.3 Formas de generación Existen básicamente dos técnicas básicas de conversión de la energía de las mareas en energía eléctrica, la primera implica la conversión de la potencia del movimiento horizontal del agua en electricidad, i.e., de las corrientes provocadas por las mareas. La segunda consiste en el aprovechamiento de la energía potencial del agua con la subida y bajada de los niveles de agua. 2.3.1 Generador de la corriente de marea Los generadores de corriente de marea, hacen uso de turbinas que aprovechan las corrientes marinas que se dan durante las mareas, de modo similar a como lo haría una turbina eólica con el viento. Dichas turbinas se encuentran sumergidas total o parcialmente en el mar. Puesto que el agua es unas 800 veces más densa que el aire, los generadores de corriente de marea, deben ser mucho más robusto que los aerogeneradores, por lo que la transformación de energía es más eficiente que en el caso de la energía eólica. 2.3.2 Presas de marea Con un principio de funcionamiento similar al de los antiguos molinos de marea, una central mareomotriz se basa en el almacenamiento de agua en un embalse formado al construir un dique con unas compuertas que permiten la entrada de agua o caudal a través de unas turbinas reversibles generando energía eléctrica. Cuando la marea sube, se abren las compuertas y el agua mueve las turbinas en su camino hacia el estuario. Alcanzada la pleamar se cierran las compuertas para retener el agua. al bajar la marea se va creando un desnivel entre el agua embalsada y el mar. Cuando la marea esta próxima a la bajamar se abren las compuertas de nuevo para evacuar el agua retenida hacia el mar moviéndose de nuevo las turbinas. El empleo de las mareas como fuente de energía presenta una serie de ventajas:
Es renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación. El ritmo de las mareas es 100 % predecible, no depende de la época del año, ni del clima ofreciendo una fuente de energía fiable. Costes de producción mucho más baratos que la energía térmica, incluso que la nuclear. No emite CO2 a la atmosfera ni otros gases de efecto invernadero. Sirven de atracción turística (unas 70,000 personas visitan al año la central de La Rance en Francia). Las barreras pueden usarse como nuevas vías de comunicación terrestre.
9
A pesar de ser una fuente de energía renovable, presentan una serie de inconvenientes:
Precisan un estuario, bahía o rio donde el mar penetre siendo únicamente rentable en zonas costeras donde la diferencia entre la bajamar y pleamar sea de unos 5 m. por tanto solo es aprovechable en unos pocos lugares en el mundo. Solo producen energía eléctrica durante unas 12.4 horas al día, además la marea sigue el ritmo de la luna y no del sol, de manera que hay un retardo diario de 30 min, en las horas en que dicha energía está disponible. La construcción de una barrera en estas zonas presenta un elevado coste económico. Tanto dure su construcción como funcionamiento altera de manera significativa el ecosistema de la zona. La modificación de los sedimentos, la turbidez y la salinidad el agua afecta gravemente a la fauna y flora del entorno.
Como consecuencia de sus desventajas, a día de hoy son escasas las centrales de este tipo en el mundo. Hasta la inauguración en 2011 de la central mareomotriz de Shiwa Lake en Corea del Sur con una capacidad de 254 MW, la instalación mareomotriz más importante del mundo era la central de La Rance en Francia inaugurada en 1966. Esta planta con sus 24 turbinas de 10 MW cada una, produce al año unos 540 GWh, suficiente para cubrir el 45 – 60 % del consumo eléctrico de toda la Bretaña Francesa. 2.4 Tipos de turbinas En este caso los tipos de turbinas se subdividen en el tipo de aprovechamiento de la marea, en primera instancia están los generadores de la corriente de marea. 2.4.1 Sistema Lanstrom Turbinas que han sido probadas en Noruega con buenos resultados y su impacto ambiental fue prácticamente nulo. Con una apariencia muy similar a la de un aerogenerador convencional, estos sistemas tienen alturas de 30 metros, compuestos por hélices de 3 palas, con diámetros de 20 metros. Pueden colocarse a 100 metros de profundidad, se estudia instalar estos generadores en varios puntos de las costas del Reino Unido.
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Ilustración 9 Turbinas de corriente marina tipo Lanstrom
La hélice, que no gira en el plano horizontal, debe apuntar en sentido contrario al de la corriente marina. La corriente hace girar la hélice, que mueve a su vez un generador que produce electricidad. Esta es enviada al continente a través de un cable subterráneo 2.4.2 Sistema Seagen Se encuentra en fase de pruebas desde 1994 y es el proyecto más avanzado para instalar granjas marinas en Reino Unido y EE.UU. Llegan a tener alturas de hasta 40 metros, aunque su columna sobresale del mar unos 10 metros y en su extremo se aloja una cabina de mandos, con hélices de hasta 16 metros de diámetro.
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Ilustración 10 Turbina tipo Seagen
Las hélices deben de apuntar en sentido contrario a la corriente para aprovechar al máximo su caudal. Cada turbina mueve un generador que produce electricidad que se transmite al continente por medio de un cable submarino. Con el fin de detener las hélices o realizar su mantenimiento, pueden izarse fuera del agua. 2.5
Sistema Thawt
La universidad de Oxford (EE.UU.) realizo pruebas a escala de un nuevo dispositivo que rebajaría los costes de producción en un 60 % y los de mantenimiento en un 40 %, con respecto a otros sistemas de obtención de energía de corrientes marinas. Está formado por paletas horizontales cilíndricas de 10 metros de diámetro, con longitudes de módulo de hasta 60 metros. El diseño de esta turbina permite aprovechar la corriente en un ángulo más amplio, las hélices giran en su propio eje, el diseño alargado favorece la instalación de una cantidad menor de generadores, pero con una mayor área de cobertura. La energía se envía al continente mediante un cable subterráneo.
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Ilustración 11 Turbina tipo Thawt
2.6
Presas de marea
Para el caso de las presas de marea la turbina usada se toma el mejor ejemplo de la central mareomotriz de La Rance Francia, la cual usa una turbina tipo Kaplan sumergible, con ligeras adaptaciones para el tipo de aprovechamiento hídrico.
Ilustración 12 Diagrama básico de funcionamiento de presas de marea
Turbinas las cuales del tipo bulbo están situadas a lo largo de la obra civil, el funcionamiento consiste en el aprovechamiento del movimiento de la corriente marina a través de un paso tipo desnivel.
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Ilustración 13 Turbina sumergible de la planta La Rance Francia.
2.7
Capacidad
En un primer caso, la generación mediante corrientes de marea se aprecia que las escalas a las que producen la energía eléctrica ronda actualmente en generación mayores al MW en algunos casos.
Ilustración 14 Grafica de generación de energía actual de turbinas de corrientes marinas
Sin embargo, aun en muchos casos la tecnología aun esta en desarrollo, tal es el caso de las turbinas Thawt, pero hasta el momento los pronósticos y prototipos han estado entregando resultados muy favorables.
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Por el otro lado, las presas de mareas ya llevan un mayor tiempo en operación, por tomar en consideración a que las primeras propuestas de este tipo de plantas surgieron para cruzar el estuario del Severn (Thomas Telford 1849) de ahí la primera propuesta relacionada con la producción de electricidad llego en 1920. Que ere tener 72 turbinas con una capacidad total instalada de 804 MW y la incorporación de carreteras y cruces ferroviarios. En 1981 se generaron 3 propuestas viables, siendo la más ambiciosa aquella que podría generar 20 TWh y 1 de 12 GW de capacidad instalada. Otra era la generación de aproximadamente 13 TWh y 1 de 7 GW instalados, todo esto fue impulsado por el estuario de La Rance en Francia, fue construido entre 1961 y 1967, la primera salida de su capacidad de 240 MW se logró en 1966. Actualmente, las plantas mas importantes aparte de la planta de La Rance, empiezan con la unidad de 18 MW, en Annapolis Royal en Nueva Escocia Canadá. Una unidad de la bahía de Kislaya de 400 KW a 100 kilometros de Murmansk en Rusia, completado en 1968. Una unidad de 500 KW en Jangxia Creek en el mar oriental de China. Generación de energía La generación de energía es similar a os mecanismos utilizados en las plantas hidroeléctricas:
La energía potencial, es convertida en energía cinética. Esta energía cinetica se utiliza para el movimiento de las turbinas. La turbina convierte esta energía cinética en energía eléctrica.
En la salida de potencia es aproximadamente proporcional al cuadrado de la amplitud de las mareas, el rango promedio para que sea viable la generación de energía de las mareas tiene que ser de 5 metros. La producción de energía es mas o menos proporcional a la superficie del agua atrapada detrás de la barrera o represa, todo esto significa que la ubicación de las presas es un elemento crucial para su viabilidad.
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3 Energía olamotriz o undimotriz marina. Este tipo de energía renovables es una de las menos explotadas, aun a pesar de su inminente potencial. En términos generales este tipo de aprovechamiento energético consta de tomar el potencial de las olas marinas ya sea a través de diferencias de presión, tomando la energía cinética de las olas o creando pequeños embalses de las olas para tener energía potencial y funcionar bajo el mismo principio que una central hidroeléctrica. Se ha estimado un potencial teórico de energía oceánica superior a 100.000 TWh/año. Con la tecnología actual se estiman 45.000 TWh/año para la energía de las olas. 3.1
Principios de funcionamiento
Si bien este tipo de energía se basa en el movimiento del agua provocada por el viento, el aprovechamiento varía acorde al tipo de conversión utilizada. En esto puede variar el tipo de tecnología utilizada. Podemos clasificarlos según su posición relativa a la costa.
Si atendemos a los criterios de posición, pueden estar situados en la costa (onshore), cerca del litoral (nearshore) o en alta mar (offshore). También según su posición relativa a la dirección del oleaje:
Totalizadores o terminadores: Se colocan perpendiculares a la dirección de avance de las olas. Atenuadores: Se colocan paralelos a la dirección de avance de las olas, y son estructuras largas que van extrayendo energía de modo progresivo; están menos expuestos a daños y requieren menores esfuerzos de anclaje que los terminadores, pues las fuerzas se compensan a ambos lados de la estructura, siendo capaces de captar energía por ambos lados de la misma. Su principal característica es que atenúan, no eliminan, la ola incidente. Absolvedores puntuales: Son estructuras de tamaño reducido en comparación al oleaje incidente. Generalmente se colocan varios dispositivos agrupados siguiendo una línea. Concentran el oleaje en un punto.
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Ilustración 15 Tecnologías usadas para extraer energía de las olas.
Los diferentes sistemas de aprovechamiento se pueden clasificar en dispositivos fijos y flotantes. Los dispositivos fijos son generalmente estructuras de gran tamaño y ancladas a las costas, entre ellos se pueden mencionar: 3.1.1
Tecnología OWC (Oscillating Water Column)
Estos se encuentran normalmente ubicados en las costas, su estructura está compuesta por una cámara de aire y cuya parte inferior está sumergida en el agua y abierta a la acción de las olas el aire entrante es bidireccional de tal manera que mueve una turbina de aire montada en la parte superior de la columna. Básicamente utiliza la energía neumática producida en la columna a razón de la entrada de aire por parte de las olas. Para la transformación de la energía se utilizan turbinas tipo Well.
Ilustración 16 Principio de funcionamiento OWC
.
17
Con la ayuda de sistemas de delicadas válvulas, este tipo de turbina no tiene que re direccionar el sentido del flujo de aire. Esta máquina mantiene el sentido de rotación a pesar de la variación alternada de la dirección del flujo de aire, provocado por el movimiento de la marea (subida y bajada de la superficie del agua) dentro de la cámara de compresión. 3.1.2
Tecnología TAPCHAN (Tapered Channel Wave Power Device)
Está constituido por un embalse ubicado en un acantilado, mismo que es alimentado por un estrecho canal proveniente del oleaje. Este estrechamiento permite aumentar la amplitud de la ola. Eventualmente la anergia cinética de la ola se convierte en energía potencial cuando se almacena en el embalse, para después ser descargada en una turbina tipo Kaplan.
Ilustración 17 Ocean WAVE Plant
3.1.3
Tecnología WAVE ROLLER
La energía cinética colectada se almacena en una bomba de pistón y puede ser convertida en energía eléctrica mediante un generador unido al dispositivo o por un sistema hidráulico cerrado en combinación con un sistema de turbina generador.
Ilustración 18 Tecnología WAVE ROLLER
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3.1.4
Tecnología CETO
Consiste en un conjunto de boyas ubicadas entre 1 y 2 metros bajo la ola, zona donde se capta el mayor caudal de energía. CETO es un sistema totalmente sumergido, evitando así el impacto visual y donde cada boya va unida a un pistón o bomba mediante una línea de sujeción, la que a su vez está anclada al fondo del mar. A medida que la boya oscila en diferentes sentidos -siguiendo el vaivén de las olas- el movimiento mueve un pistón, pistón que cada vez que sube y baja comprime y desplaza el agua de mar a alta presión a través de una tubería submarina, para finalmente llevar esta presión de agua a la planta generadora y posteriormente introducir el fluido de trabajo a una turbina tipo Peltón.
Ilustración 19 Boyas.
Ilustración 20 Funcionamiento de una planta de Energía undimotriz con tecnología tipo CETO.
Los dispositivos flotantes son sistemas que se sostienen en la superficie del océano cerca de las costas o semi-sumergidos. Entre los más destacados encontramos los siguientes:
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3.1.5
Pelamis (Serpiente Marina)
Es un dispositivo semi-sumergido que asemeja la forma de una serpiente, por su gran longitud horizontal. Su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de la energía de la oscilación vertical de las olas a través de unas boyas eléctricas que se elevan y descienden sobre una estructura similar a un pistón, en la que se instala una bomba hidráulica. El agua entra y sale de la bomba con el movimiento e impulsa un generador que produce la electricidad. La corriente se transmite a tierra a través de un cable submarino. Esta tecnología es la más prometedora ya que cada equipo cuenta con una estructura articulada que asu ves consta de tres generadores con una potencia de 250 KW cada uno por la potencia por estructura es de 750 KW por longitudes de 150 metros. Optimizando parques de hasta 2.25 MW y estimaciones de hasta 8 .1 GWh
Ilustración 21 Convertidor de energía de olas.
3.1.6 Salter Duck (Pato de Salter). Es un sistema que rota con un movimiento de cabeceo a medida que pasa la ola, bombeando fluido hidráulico para activar un motor hidráulico acoplado a un generador eléctrico. Es un dispositivo muy eficiente. Se montan alineados con la cresta de la ola. El dispositivo tiene la capacidad de convertir la energía cinética y potencial de la ola en energía mecánica, con lo que el nivel de absorción de energía es alto (teóricamente sobre el 90%).
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Ilustración 22 Funcionamiento de Duck
3.1.7
AWS- Archimedes Wave Swing.
Consiste en una cámara grande de aire presurizada instalada sobre el fondo del mar, tiene una sección superior a la cámara de aire que se mueve continuamente hacia arriba y hacia abajo, mientras que la parte inferior llamado el sótano, permanece en una posición fija. El dispositivo AWS (Oscilador de ola tipo Arquímedes) está totalmente sumergido en el mar y no usa la ola superficial para la generación de energía, lo que utiliza es la variación periódica de la presión que produce una ola bajo la superficie del mar, al comenzar esta variación de presiones se inicia el movimiento de la parte superior, el cual produce energía eléctrica a través de un generador lineal. Como este dispositivo se encuentra bajo la superficie del mar no necesita hacer frente a los extremos causados por las tormentas superficiales.
Ilustración 23 Generador tipo AWS
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3.1.8
Wave Dragon (Dragón de las olas)
Es un dispositivo flotante grande. Es una construcción con un peso de unas 150 toneladas (más unas 87 toneladas de agua en los reservorios), de 250 metros de largo, con un par de aletas de unos 126 metros de largo que permite concentrar el agua de las olas incidentes sobre la estructura hacia una rampa, para ser almacenada a objeto de hacer girar una serie de turbinas acopladas a generadores energía eléctrica. El agua se conserva a un nivel por encima de la superficie del mar, lo que permite usar la energía potencial para hacer girar las turbinas.
Ilustración 24 Funcionamiento de tecnología Wave Dragon.
3.2
Características de la turbina (potencia)
Las turbinas usadas para las diferentes formas de aprovechar el recurso energético que provee las olas marinas tanto superficial como profundamente. Suelen ser turbinas tipo well para aprovechamiento de columna mientras que para otros son comúnmente tipo Pelton o Kaplan. Estas dos últimas sus potenciales y eficiencias son muy conocidas, por lo que la potencia está en función del potencial energético que se tenga, mientras que para las turbinas Well se estima un rango de eficiencia menor al 70% y potenciales mayores a los 100 KW por unidad. El sistema CETO, por ejemplo, ha ido evolucionando en base a diferentes prototipos, en Carnegie partieron con el CETO 1 y ahora van en el 5, este último se está instalando en las cercanías de Perth (activo puerto australiano), pasando de prototipo a escala comercial con una granja de 2 MW de capacidad instalada, pero además se están desarrollando los prototipos 6 y 7. Actualmente el CETO 5 entregará 240 kW y se desarrollará, un dispositivo de 1,3 MW. 3.3
Impacto ambiental
La energía undimotriz es una delas energías renovables menos intermitentes. Ya que nos permite conocer con anticipación las inclemencias o el comportamiento de las variables y aunque como todas las energías renovables no emiten GEI al ambiente directamente, es decir, en el proceso de generación, su impacto es mínimo. Pero la absorción y modificación del oleaje puede variar la morfología de la costa y de la vida marina, por ello es necesario analizar, el paisaje, la geología y la geomorfología, los valores naturales (aves, flora, fauna marina y hábitat), el patrimonio, el ruido submarino, el impacto visual y sonoro especialmente en zonas turísticas, además, también será necesario analizar la 22
hidrodinámica marina, la interacción con otros usos del espacio marino, etc. Ya que, resulta evidente que los dispositivos para el aprovechamiento de la energía de las olas en el litoral o cerca de él pueden tener impactos considerables sobre el medio ambiente que es necesario estudiar y evaluar de cara a la comercialización de este tipo de tecnologías. 3.4
Aplicaciones actuales.
Por parte de la tecnología OWC se encuentran aplicaciones en las plantas de: LIMPET en la isla de Islay, Escocia; PICO, en las Azores, Portugal; PORT KEMBLA situada a 100 Km de Sydney, Australia; VIZHINJAM cerca de Trivandrum, India, SAKATA en el puerto de Sakata, Japón y la planta MOWC de Mutriku. No obstante existen aplicaciones de tipo outshore en Brasil, y otras como Mutriku la primera planta en España de energía olamotriz [600 MWh], ya conectada a red en funcionamiento en España y en la Europa Continental, de tecnología de columna de agua oscilante para el aprovechamiento de energía de las olas con 16 turbinas generadoras dentro del dique que suman 300kW de potencia instalada. Además de Chile, además de plantas piloto de tecnologías menos exploradas como lo es la AWS que cuenta con una planta piloto en la costa de Portugal. Con respecto a las aplicaciones del tipo CETO se instaló la primera planta en Australia y actualmente sigue funcionando. El sistema consta de tres boyas capaces de producir 250 kw cada una.
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