ENERGÍA DE LAS OLAS

N u r i a Gó Gó m e z Gu Gu e r r e r o 1 º E

BLOQUE I: ENERGÍAS ENERGÍAS ENERGÍAS RENOVABLES: RENOVABLES:

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INDICE: 1. Introducción. - Energía undimotriz. -Un poco de Historia. - Las olas.

2. Sistemas de conversión de energía undimotriz. 2.1. Dispositivos Dispositivos fijos. a) OWC: Oscillating Water Column. b) TAPCHAN: Tapered Channel Wave Power Device. c) Wave Roller. d) Sistema SDE. e) Sistema CETO. f) Sistema SSG Wave Energy. g) Limpet. h) ORECON. i) Oyster. j) Wave Star. k) Sistema Seabased AB.

2.2. Dispositivos Dispositivos flotantes. fl otantes. a) Pelamis. b) Wave Dragon. c) Archimedes Wave Swing. d) Powerbuoy. e) Salter Duck. f) Aegir Dynamo. g) Wave Treader. h) DEXA. i) OWEL.

3. Ventajas e Inconvenientes. 4. Referencias. 2


1.Introducción. -Energía Undimotriz. La energía undimotriz es un tipo de energía renovable que consiste en el aprovechamiento de energía cinética y potencial producida por el movimiento de las olas para generar energía eléctrica. Generalmente, la energía de las olas es convertida en presión de fluidos o movimiento mecánico, es decir, se presuriza un fluido y mueve la turbina por fuerza hidráulica o se hace mover una turbina con la fuerza de las mismas por acción directa. A diferencia de la energía hidroeléctrica, la energía de las olas no puede contar con el flujo de agua en una sola dirección según llega de las olas. No es posible colocar una rueda de agua en el mar y hacerla girar para generar electricidad, a pesar de que para el espectador desde la costa, parece que las olas avanzan hacia la costa en linea recta. Las fuentes de energía sostenibles, como la de las olas, son críticas para afrontar el cambio climático, la acidificación de los océanos y todos los problemas derivados de nuestros caducos sistemas energéticos. La energía de las olas apenas ha empezado a despegar y ya comienza a tener un nombre destacado dentro del sector de las energías renovables. Aún está en desarrollo y expansión.

-Un poco de Historia. La posibilidad posibilidad de obtener energía a partir de las olas se ha estudiado estudiado desde la época de la Revolución Francesa. Las primeras patentes fueron registradas en Francia por Girard, basadas en la observación de que “la enorme masa de un barco, que ninguna otra fuerza es capaz de levantar, responde al más leve movimiento de las olas”. Poco progreso se consiguió para aprovechar dicha energía debido a la falta de conocimientos científicos. En el siglo XIX, el español Don José Barrufet patentó una máquina para el aprovechamiento aprovechamiento de las olas. La llamó “marmotor” y presentaba la siguiente forma: Tenía una serie de boyas que subían y bajaban con las olas y transmitían ese movimiento a unos generadores eléctricos. Aseguraba que este sistema era capaz de suministrar una potencia de 0,36kW. 0,36kW.

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-Las olas. Las olas, especialmente aquellas de gran amplitud, contienen grandes cantidades de energía. La energía de las olas es una forma almacenada y concentrada de energía solar, incluso el viento que produce las olas es causado por las diferencias de presión en la atmosfera como consecuencia del calentamiento que produce el sol. Las olas en sí son el resultado del viento soplando a lo largo de cientos de kilometros en mar abierto, lo que origina que se transfiera energía a la superficie del mar. Por la fricción entre el viento y la superficie del agua se forman arrugas. Este efecto de fricción se intensifica, ya que cuanto mayor es la altura de la ola, mayor es su capacidad para extraer energía del viento, de forma que se produce una realimentación realimentación positiva. Una vez formada la ola, ya no depende del viento, sino de su propia gravedad. Su onda se propaga fácilmente sin gastar dicha energía ya que no mueve masas de agua. Las partículas de agua que la forman se mueven describiendo círculos, por lo que la ola transporta energía tanto en la superficie como en la profundidad.

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N u r i a Gó Gó m e z Gu Gu e r r e r o 1 º E Una de las propiedades más importantes de las olas es su capacidad de desplazarse a grandes distancias sin pérdidas de energía, lo que da lugar a que toda la energía de cualquier océano acaba en el borde continental, es decir, en las costas. Las olas constan de dos partes significativas: la cresta y el valle. La distancia entre crestas se denomina longitud de onda, que es uno de los factores que condicionan la energía de las olas, además de la velocidad de la ola, la profundidad con respecto al fondo marino, la oscilación de ésta y el nivel del mar.

Cuando la ola llega a aguas donde hay poca profundidad, el fondo va frenando la ola de abajo a arriba. En las siguientes olas la distancia entre crestas se reduce progresivamente y la cima de la cresta avanza más rápido que la base haciendo que rompa sobre la playa. La energía media de las olas en kW/m es la siguiente:

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N u r i a Gó Gó m e z Gu Gu e r r e r o 1 º E De las olas se suelen aprovechar tres factores:

Además de las olas superficiales, existen olas subacuáticas, que también pueden ser aprovechadas. Este tipo de olas son, por naturaleza, más continuas y predecibles que el viento. En el fondo oceánico, las partículas de agua se mecen hacia delante y hacia atrás hasta la línea de rompimiento. Dado que el oleaje viaja por el océano, puede predecirse días antes de que llegue a la costa. Los dispositivos convertidores de energía undimotriz u ndimotriz pueden ser clasificados atendiendo a diversos factores, aquí se muestran algunos ejemplos de los dispositivos más usados y su clasificación ha sido simplificada en “dispositivos “dispositivos fijos” y “dispositivos “dispositivos móviles”. móviles”. Dentro de esta misma clasificación se pueden separar según la distancia a la costa, o según la tecnología que utilicen (flotadores, embalses, depósitos,...)

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2. Sistemas de conversión de energía undimotriz. 2.1. Dispositivos fijos . a) OWC: Oscillating Water Column. El OWC se instala en las costas. Consta de una columna donde se captura el agua proveniente de las olas, una plataforma para una turbina de aire, paredes de ala y una cámara de aire. Este dispositivo hace que la ola al entrar en la columna obligue al aire a pasar por la turbina ya que se incrementa la presión dentro de ella. Cuando la ola sale, desciende la presión y el aire pasa nuevamente por la turbina en dirección contraria. La dirección del aire no importa ya que la turbina se mantiene girando siempre en el mismo sentido. El OWC puede generar 150kW y no posee partes móviles bajo el agua.

b) TAPCHAN: Tapered Channel Wave Power Device. El TAPCHAN ha sido diseñado por la empresa Norwave en. Comenzó a funcionar en una pequeña isla noruega en el año 1985. Este dispositivo consiste en un embalse construido sobre un acantilado que es alimentado (de agua) a través de un canal cónico estrechado. Éste canal de hormigón genera un aumento en la amplitud de la ola al acercarse al acantilado. Las olas se desbordan en las paredes del canal, dentro del embalse y lo llena. La energía cinética de la ola al moverse se convierte en energía potencial cuando se almacena en el embalse. Este agua se hace pasar por una turbina generalmente Kaplan para producir energía eléctrica.

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c) Wave Roller. El Wave Roller aprovecha, a diferencia de los anteriores, la energía de las “olas subacuáticas”. subacuáticas”. Es un dispositivo dispositivo anclado al fondo marino, marino, cuyas placas móviles oscilan con el movimiento de las olas. La energía cinética que crea esta oscilación se almacena en una bomba de pistón, y luego puede ser convertida en energía eléctrica usando un sistema hidráulico cerrado combinado con un generador. generador. Es un sistema modular, la capacidad de la planta depende del número de dispositivos o módulos, por tanto, su capacidad puede ser aumentada gradualmente. Están diseñados para una alta eficiencia. Una sola unidad de producción puede lograr 13KW en condiciones normales.

d) Sistema SDE. Éste sistema utiliza el movimiento de las olas para conseguir presión hidráulica para generar electricidad con una turbina. El sistema SDE es optimizado según la velocidad, profundidad, altura y caída de la ola, además del flujo de retorno, producido cuando la ola rompe. En la actualidad es un sistema que funciona sobre todo en Israel con un promedio de 40kW. Las ventajas tecnológicas incluyen la resistencia a la tormenta, el bajo coste de producción, el pleno aprovechamiento de la energía de las olas.

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e) Sistema CETO. Éste sistema fue creado por una empresa australiana (Carnegie Wave Energy Limited) en 1999 y consiste en la instalación en el fondo marino de “granjas” de boyas para generar electricidad. Las boyas se encuentran entre 1 y 2 metros bajo la ola, zona donde se capta mayor caudal de energía. CETO es un sistema totalmente sumergido (evitando así el impacto visual) done cada boya va anclada a un pistón o bomba, la que a su vez está anclada al fondo del mar. A medida que la boya oscila con el movimiento de las olas, se mueve dicho pistón, que cada vez que sube y baja comprime y desplaza el agua del mar a alta presión a través de una tubería submarina para finalmente llevar esa presión a la planta generadora. Las boyas van dispuestas entre los 50 y 80 metros de profundidad y su distancia a la costa puede ser de 200m o más. Todos los componentes de generación eléctrica están ubicados sobre la costa, donde el mantenimiento es más sencillo y menos costoso.

f) Sistema SSG Wave Energy. El SSG es un convertidor de la energía de las olas basado en llenar estanques, uno sobre otro, los cuales se llenan de agua cuando la altura de la ola es la suficiente para sobrepasar la altura de las paredes contenedoras. A continuación la energía potencial contenida en este agua almacenada es transformada en energía eléctrica cuando se hace pasar el agua a través de una turbina. El concepto de utilizar varios contenedores mejora la eficiencia del sistema en comparación con un solo contenedor.

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g) Limpet. Oscilación de columna de agua. En este sistema, el flujo de la ola provoca una entrada de agua en un recinto que desplaza hacia arriba el aire encerrado en él, este aire a través de válvulas se hace pasar por una turbina, provocando una energía mecánica, seguidamente es convertida en energía eléctrica. El reflujo de la misma ola provoca en el colector una succión que invierte el sentido direccional del movimiento del aire, que continúa haciendo girar el rotor de la turbina, que está preparada para actuar con esfuerzos bidireccionales. Este sistema pertenece a la empresa Wavegen en Escocia y existe un modelo en funcionamiento en la isla de Islay en el mismo país. Esta unidad cuenta con dos generadores de 250kW cada uno.

h) ORECON.

Oscilación de columna de agua con cámaras

multisensores.

Este generador se encuentra solidario a un flotador, el cual está anclado al fondo marino. Posee una cámara donde el agua sube y baja por el movimiento de las olas. Sobre esta cámara se encuentra un compartimento donde se instala una turbina, de forma que, cuando el agua sube, el aire es obligado a pasar a través de ella y cuando baja, el aire succionado la hace girar nuevamente siempre en la misma dirección. El dispositivo no tiene partes móviles exceptuando la turbina, por lo tanto es robusto y resistente a las inclemencias marinas. Actualmente se encuentra en una etapa de desarrollo y se espera que una unidad pueda producir alrededor de 1MW. 10


i) Oyster Oyster al igual igual que el sistema sistema CETO permite que la electricidad sea generada en la costa. La máquina consta de un oscilador de 18m de ancho, la cual es la pieza clave de todo el diseño. El oscilador se combina con la acción de un pistón que se mueve acorde con el movimiento de las olas. Los pistones bombean agua a presión a la costa a través de tuberías submarinas, una vez en tierra firme, generadores hidroeléctricos se encargan de producir la electricidad. electricidad. Este dispositivo se instala en aguas cercanas a la costa a una profundidad entre 12 y 16 metros, lo que proporciona uniformidad en la dirección y en la fuerza con que se producen las olas. Para la producción óptima de electricidad las condiciones ideales son una menor altura del oleaje y una carga moderada del mismo. El Oyster consta de muchas ventajas, entre ellas está el hecho de que en vez de usar aceites y otros fluidos hidráulicos, usa directamente agua marina, y la maquina no concibe ninguna sustancia tóxica. Además es bastante silenciosa. Al generar la electricidad en la costa, el mantenimiento de dicha parte es menos costoso por ser más accesible.

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j) Wave Star. Absorbedor multipunto. Este sistema, denominado “absorbedor multipunto” debido a su configuración, ya que está equipado con una cantidad determinada de flotadores, los cuales, por efecto de las olas accionan unas bombas hidráulicas que conducen aceite bajo presión a una turbina hidráulica, la que a su vez impulsa un generador eléctrico. Este sistema consta de una característica que le permite protegerse de las tormentas, levantando los flotadores hasta una posición segura mientras el oleaje sea muy intenso, después de esto vuelve automáticamente a la normalidad. Se espera comercializar el sistema una vez que el modelo de 500kW haya alcanzado pruebas satisfactorias para la venta.

k) Sistema Seabased AB Este sistema esta basado en un generador lineal trifásico, de imán permanente, que está directamente accionado por un mecanismo puntual en la superficie marina. De esta forma la boya enganchada al generador, sube y baja por efecto de las olas logrando accionar el generador, el cual posee un sistema de resorte que lo hace volver siempre a su posición natural. La idea es que la planta de energía este constituida por un conjunto de boyas cuya disposición se parezca a una red, de forma que se pueda producir alrededor de 10MW.

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Flotan tes. 2.2 Dispositivos Flotantes. a) Pelamis. Variación de altura. Este dispositivo recibe su nombre por la semejanza que tiene con cierta serpiente marina. Se basa en la obtención de energía mediante un atenuador. Pelamis esta compuesto por un conjunto de cilindros semi-sumergidos, cada cilindro esta unido por un sector bisagra el cual se encarga de generar energía. Diseñado para aguas de entre 50 y 70 metros de profundidad, esta estructura flotante se mantiene alineada en paralelo con la dirección de la ola. Su longitud suele ser de 150m con un diámetro de 3,5m y pesa unas 700 toneladas. Toda esta estructura esta anclada al lecho marino. La energía se genera en los sectores bisagras que, además de flexionar en vertical, también lo permiten en horizontal. En su interior, el sector bisagra consta de bombas hidráulicas que entran en acción moviendo un fluido a alta presión dentro de un circuito. Dicho fluido activa un generador hidráulico que produce unos 250kW de energía, es decir que un Pelamis con tres generadores producirá un total de 750kW. Una vez generada, la energia se transfiere a un sistema de cableado submarino que llega hasta la red convencional de electricidad en la superficie. superficie. Pelamis esta hecho para soportar las inclemencias del mar con el minimo mantenimiento posible, lo cual hace que se acabe sacrificando eficiencia.

http://www.youtube.com/watch?v=fet4bC YvmLw

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b) Wave Dragon. Empuje de la ola. Se basa en la obtención de energía mediante rebalse. Funciona en las costas danesas de Nissum Bredning desde 2004. Esta compuesto por una estructura flotante de aproximadamente 237 toneladas la cual posee dos brazos de unos 58 metros cada uno para captar mayor oleaje. No posee partes móviles excepto las turbinas y es esencial que se instale en aguas profundas, (a más de 40m) para aprovechar la energía de las olas antes de que se pierda en las zonas costeras. Para la obtención de energía, Wave dragon permite que se desporde el agua que llega por el oleaje y la hace pasar a través de una rampa elíptica que optimiza el desbordamiento, para a continuación almacenarla en un deposito elevado, elevado, de esta esta manera utiliza utiliza la energía potencial del agua. A continuación el agua del deposito se libera al mar y en ese trayecto mueve unas turbinas, encargadas encargadas de generar electricidad.

Wave Dragon consta de cámaras de aire donde un sistema de aire a presión hace que la altura de flotación de este dispositivo sea ajustable ya que su eficiencia depende de la altura de la rampa. En la experiencia real con el mar ha demostrado tener ciertas complejidades con la altura de flotación, y de las olas, la geometría de la rampa y la cantidad de agua rebosante y a almacenar en el deposito. Este dispositivo tiene una capacidad comparable a una planta de energía fósil tradicional. Con respecto al medio ambiente no hace ruido ni hay riesgo de contaminación con aceites hidráulicos ya que usa un sistema hidráulico de agua no tóxico.

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c) Archimedes Wave Swing. Variación de presión. Este dispositivo obtiene la energía mediante el efecto de Arquímedes.

PRINCIPIO PRINCIPIO D E ARQUÍM EDES: DES: Todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en en fluido en reposo sufre un empuje de abajo hacia arriba igual al al peso del volum en de fluido que desaloja. desaloja. “ Em puje hidrostático”.

E = m · g = ρf · g · V Es una de las tecnologías mas avanzadas. Su peculiaridad es que se situa entre 40 y 100 metros bajo el nivel del mar y gracias a ello, no esta expuesta a posibles condiciones meteorológicas que lo dañen. Su único elemento móvil es una carcasa superior llena de aire que actua como flotador. El sistema es similar a una boya cilíndrica, pero que esta sujeta al suelo marino por un pedestal. pedestal.

Su funcionamiento se debe a que al elevarse la ola, la columna de agua aumenta, al igual que la presión que esta ejerce. Cuando la ola desciende el efecto es el contrario. En consecuencia de esta presión, el cilindro flotador desciende y un sistema de aire comprimido lo vuelve a empujar hacia arriba cuando pasa el valle de la ola. La energía se produce gracias a un motorgenerador con imanes y una bobina que aprovecha el movimiento vertical, llegando a generar hasta 1,2MW de electricidad. Esta es dirigida a la superficie a través de un cable submarino.

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d) Powerbuoy. Este sistema, llamado cómicamente el “pistón marino”, obtiene la energía mediante absorbedor de punto. Se utiliza en varias zonas de España, por ejemplo en Santoña (Cantabria) se encuentra una de estas plantas generadoras. PowerBuoy consiste en una “boya discreta” exterior que se mueve verticalmente acorde con las ondas de las olas y captura y convierte la energía de éstas en una fuerza mecanica. El rozamiento mecanico resultante que se produce en el interior de la boya activa el generador eléctrico que se encuentra en el interior de la columna. En la columna posee un cilindro hidráulico que comprime un fluido gracias al movimiento ascendente y descendente que provoca la ola y éste a su vez hace girar un generador que produce electricidad. La corriente alterna generada se convierte en corriente continua de alto voltaje y se transmite a la costa por un cable submarino. Genera alrededor de 20kW de energía. El dispositivo esta anclado en el fondo marino gracias a un ancla junto con una cadena y mide cerca de 14 metros y pesa 100 toneladas.

El Powerbuoy se realza con los sensores que supervisan continuamente el funcionamiento de varios subsistemas y del ambiente del océano. Cuando se acercan olas demasiado grandes, el sistema automáticamente se desconecta y cuando las alturas de estas vuelven a lo normal, el dispositivo se vuelve a conectar.

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e) Salter Duck. El Salter Duck es un dispositivo desarrollado en la década de los 70, consta de péndulos invertidos, articulados en su parte inferior y montados sobre un eje que permite movimientos en dirección del oleaje, donde una parte actua como flotador de balanceo manteniendo cierta rigidez (se mantiene fija con el paso de la ola), mientras que su parte activa consiste en unos flotadores en forma de leva cuya sección más estrecha se enfrenta a la ola con el fin de absorber su movimiento lo mejor posible, mientras que su parte posterior es cilíndrica, para evitar pérdidas de energía por rozamiento y estas levas se mueven de manera giratoria alrededor de un eje accionadas por el ritmo de las olas, creándose en los mismos un movimiento oscilatorio (parecido al cabeceo de un pato, de ahí su nombre) que acciona unos sistemas olehidraulicos conectados a una turbina, originando que gire y por tanto produzca energía.

f) Aegir Dynamo. Consiste en un mecanismo que genera corriente en una fase por medio de un generador lineal acoplado a un sistema de boyas que oscilan una dentro de otra. El equipo se encuentra en etapa de desarrollo y se estima que su eficiencia alcance un 93%.

http://www.youtube.com/watch?v=xu6_E m1LfBg

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g) Wave Treader. Ha sido creado por ingenieros de la empresa británica “Green Ocean Energy”. La novedad de este tipo de sistemas es que es acoplada a las turbinas eólicas instaladas en el mar. Tiene una capacidad de 500kW. Wave Treader esta pensado para ser instalado 4 o 5 kilómetros mar a dentro. Se compone de unos estabilizadores estabilizadores flotantes que van montados en los extremos de unos brazos delante y detrás de la columna de la turbina. Unos cilindros hidráulicos están acoplados entre los brazos y una estructura que sirve como punto de contacto entre ambos. Cuando las olas pasan a través del dispositivo, los estabilizadores flotantes y los brazos suben y bajan, de tal manera que golpean los cilindros, lo que pone en marcha los motores hidráulicos y los generadores eléctricos. Una de las ventajas de estos dispositivos es que exporta la electricidad a la red usando el mismo cable que la turbina de viento a la que esta acoplado.

h) DEXA. Principio del movimiento angular de dos planos. Este sistema consta de dos objetos de una superficie extendida, flotando y cambiando el ángulo relativo entre uno y otro plano por efecto del movimiento de las olas. Este desplazamiento angular crea presión sobre aceite en un cilindro hidráulico, el cual es transportado hacia un generador para producir electricidad. Las dimensiones de este sistema en peso van desde los 100kg a las 1000 toneladas, con potencias de 220W a 2.2MW respectivamente.

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i) OWEL. El sistema OWEL concentra el movimiento de las olas en una cámara para hacer circular aire bajo presión por una turbina, la cual estando acoplada a un generador eléctrico transforma la energía. Su diseño consta de una plataforma de triple conducto horizontal flotante con techo inclinado y placas de fondo, de una longitud de 70 metros y un ancho de entrada de 22 metros, de tal manera que la distancia media al centro del buque es aproximadamente aproximadamente igual a la amplitud de la ola. El conducto está abierto en un extremo y el sistema de anclaje asegura que este extremo sea el que se enfrenta a la entrada de las olas. Se espera que una plataforma más o menos triangular de un ancho hasta de 200 metros compuesta por seis unidades conectadas en serie tenga una capacidad de 6MW.

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3. Ventajas e Inconvenientes. Inconvenientes. Las ventajas de la energía undimotriz son diversas. Si miramos la energía undimotriz como tal, podemos identificar claramente las ventajas de las energías renovables como pueden ser que no libera gases a la atmósfera ni ningún residuo contaminante y aprovecha la energía limpia de las olas. Fijándonos en la instalación de sistemas generadores de ésta, podemos decir que crean zonas de calma y permiten (en el campo de la acuicultura) colocar jaulas en zonas más alejadas de la costa. De esta manera se puede disminuir el conflicto entre la acuicultura y el turismo, debido al impacto visual y malos olores de dichas jaulas. Por otra parte, estos sistemas pueden producir también zonas de calma para playas que alternativamente tendrían un rompeolas tradicional. Además supone un ahorro económico importante para los ayuntamientos que invierten en reabastecer sus playas de arena ya que estas estructuras pueden disminuir la erosion costera producida por las olas. Tambien hay que tener en cuenta el autoabastecimiento energético de ciertas infraestructuras en los puertos, lo cual evita tener que construir tendidos eléctricos y significa un ahorro y reserva energética en momentos de mayor demanda en el puerto. Ciertos sistemas de generación de electricidad a partir de energía undimotriz pueden incorporarse sobre las estructuras tradicionales tradicionales (diques, rompeolas) dando múltiples usos a estos elementos. Uno de los principales inconvenientes de algunos de estos sistemas es su elevado coste, tanto en la construcción como en el mantenimiento de las plantas generadoras, además del impacto visual que algunas ofrecen. Las instalaciones corren el riesgo de sufrir tsunamis o adversidades meteorológicas y por último pueden provocar problemas medioambientales por cambios en el ecosistema antes y después de la instalación.

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4. Referencias. Referencias. ht tp :/ / w w w .juntadeandalucia. .juntadeandalucia.es es// averroes averroes// ~ce ~cepco3/ pco3/ es escuela cuelatic2.0/ tic2.0/ M ATE ATERRIAL IAL// FLAS ASH/ H/ C onocim iento %20del% %20del%20M 20M edio/ Energ%C nerg%C3%ADa 3%ADa% %20Undim ot riz. riz.swf swf htt p:// w w w .fi .fieras erasdela delainge ingenieria nieria.c .com om / energ energia ia-undimot -undimot riz riz-el -el-aprove -aprovecha cham m iento-deiento-de-la la-fuerza-de-las-olas/ htt p:// es es.wikipedi .wikipedia. a.org/ org/ w iki iki// Energ% nerg%CC3% 3%ADa ADa_undimot _undimot riz http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2011/07/11/131258 http:/ / w w w .e .ehu.es hu.es// ika ikasstorratz torratza/8_ale a/8_alea/energia a/energia// energ energia. ia.pdf pdf

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