Capitulo Viii. Tecnologia Mareomotriz.pdf

Universidad Privada del Valle Docente: Ing. Martha Siles C. Materia: Fuentes de Energía Alternativa

Capitulo VIII

TECNOLOGIA MAREOMOTRIZ Introducción.‐ La posibilidad del agotamiento de energías no renovables como: combustibles fósiles, el cambio climático que se vive actualmente, la contaminación y emisión de gases de efecto invernadero entre otros motivos, ha conducido a considerar el aprovechamiento de fuentes energéticas alterativas renovables, tales como las derivadas del sol, del viento y del océano. Con un promedio de 4 Km de profundidad, mares y océanos cubren las tres cuartas partes de la superficie de nuestro planeta. Constituyen un enorme depósito de energía siempre en movimiento. En la superficie los vientos provocan las olas que pueden alcanzar hasta 12 metros de altura, las diferencias de temperatura pueden variar de ‐2º C a 25º C, generan corrientes; y loes efectos de las atracciones solar y lunar causantes del aumento y disminución de mareas. La disponibilidad universal de los recursos marinos hace que estos sean vistos como una fuente extensa e inagotable. Si bien la tecnología para captar la energía oceánica existe, las dificultades que implican las operaciones en el mar hacen que su extracción no resulte tarea fácil. Las posibilidades son muy variadas, ya que dentro del mar se destacan categorías de movimiento que pueden ser aprovechados para generación de energía: •

Las corrientes marinas

•

Las ondas y olas

•

Las mareas

•

Los gradientes térmico y salino del agua de mar

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De todas las formas de energía contenidas en el mar, solo es posible utilizar aquellas que se adecuan a las restricciones que impone la región de interés, y al grado de desarrollo tecnológico en el que se encuentran, dichas tecnologías. Cada una de estas posibilidades representa una considerable inversión de capital y posee sus propias limitaciones y problemas de implementación. De todas las formas de energía contenidas en el mar sólo sea posible utilizar aquellas que se adecuen a las restricciones que imponga la propia región de interés. Por ejemplo, para la conversión de la energía de las olas se requiere que la zona cuente con un adecuado promedio anual en la velocidad del viento, así como con una buena exposición de la costa frente al mar. En el caso de

energía a partir de mareas, se requieren simultáneamente grandes

amplitudes y determinadas condiciones geográficas, como las que se encuentran en golfos, bahías profundas o estuarios. En la conversión de la energía a partir del gradiente térmico entre las aguas superficiales y las profundas; éste debe ser del orden de los 20°C, lo que sólo se verifica en la zona comprendida entre las latitudes 20°N.

Corrientes Marinas.‐ Las corrientes marinas son grandes masas de agua que, como consecuencia de su calentamiento por la acción directa y exclusiva del Sol, se desplazan horizontalmente; formado verdaderos ríos salados que recorren la superficie de los océanos.

Los parámetros que influyen en su formación son: •

La salinidad de las aguas.

•

La anchura y profundidad de las corrientes que llega alcanzar hasta cientos de metros.

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Algunas corrientes pasan de uno a otro hemisferio, otras se originan, avanzan, se mueven y se diluyen o mueren en el mismo hemisferio en el que nacen. Existen mapas oceánicos que nos indican la ubicación y flujo de estas corrientes. Las trayectorias de estas corrientes son constantes, y ésta circunstancia es la que aprovechó el hombre durante la larga época de la navegación a vela. Una de sus acciones es desviar de su ruta a los buques que penetran en ellas; favorecen o entorpecen la navegación según el sentido en que se la recorra. La gran corriente caliente del Golfo, la cual se dirige desde el Golfo de México a las costas occidentales de Europa, no solo mejora el clima, por sus temperaturas, sino que facilita además el paso del océano Atlántico a los buques que se dirigen de Oeste a Este.

Ningún otro efecto favorable ha podido obtener el hombre de la enorme energía cinética de las corrientes marinas. Pero los resultados y ventajas de otro orden (climáticas, antropogeográficas, económicas, etc.) son incalculables.

Las Ondas y Olas de Mar Son los vientos los causantes de imprimir a las capas superficiales del mar movimientos ondulatorios de dos clases: ondas y olas. Las ondas se pueden observar en el mar, incluso en ausencia del viento; son masas de agua que avanzan y se propagan en la superficie en forma de ondulaciones cilíndricas.

Los elementos de una onda son: •

Longitud, la distancia entre dos crestas consecutivas

•

La amplitud o, la distancia vertical entre una cresta y un valle

•

El período, es el tiempo que se separa el paso de dos crestas consecutivas por delante en un punto fijo.

La energía que desarrollan las ondas es enorme y proporcional a las masas de aguas que oscilan y a la amplitud de oscilación. Esta energía se descompone en dos: una energía

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potencial, la cual provoca la deformación de la superficie del mar, y una energía cinética o de movimiento, debida al desplazamiento de las partículas.

Se ha calculado que una onda de 7,50 metros de altura sobre el nivel de aguas tranquilas y de 150 metros de longitud de onda, propagándose a una velocidad de 15 metros por segundo, desarrolla una potencia de 700 caballos de vapor por metro lineal de cresta; entonces, una onda de las mismas características que tuviese 1Km de ancho desarrollaría la considerable potencia de 700.000 caballos de vapor. Las ondas marinas se forman únicamente en puntos determinados de nuestro planeta y desde ellos se propagan radialmente. Por su importancia mencionaremos uno: el área de las islas de Azores, situadas casi frente la Estrecho de Gibraltar y a unos 1800 Km que es conocido como un centro de un área ciclónica durante todo el año.

La técnica utilizada para captar la energía por las ondas marinas en sus oscilaciones verticales consiste en la disposición de varios flotadores provistos de un vástago que se desliza a lo largo de unas guías y cuyos movimientos verticales se transmiten mediante el vástago a generadores eléctricos. La principal limitante de estos quipos aparte de si diseño complejo y costoso es que acaban por ser destruidas por el exceso de la potencia que deben captar.

Las olas se forman en cualquier punto del mar por la acción del viento. A medida que aumenta la velocidad del viento, las olas crecen en altura y en masa, cuando el viento sopla con violencia las olas alcanzan tamaño gigantesco que por su impulso corre sobre la superficie del mar a gran velocidad y descargan toda su potencia sobre los obstáculos que encuentran en su camino .Ejemplo: Bahías, arrecifes, puertos escolleras, etc. Los efectos de estos choques son enormes y la cantidad de energía disipada en ellos es considerable.

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Se han proyectado numerosos aparatos y dispositivos para aprovechar la energía de las olas, pero ninguno hasta hoy ha dado resultados prácticos. El rotor de Savonius, fue el primer proyecto para utilizar la fuerza horizontal de las olas, consiste en un dispositivo circular formado por dos semicilindros asimétricos montados sobre un mismo chasis. La acción corrosiva del agua del mar lo inutilizó.

Las Mareas Los recursos de las mareas son las variaciones que se dan en el nivel del mar dos veces al día, causadas, principalmente, por el efecto gravitacional de la Luna, y en una menor medida, del Sol, en los océanos del planeta. La rotación de la Tierra es también un factor en la generación de las mareas.

Es esencial comprender los principios que producen el aumento de las mareas para explicar la energía de las mismas, el origen de las mareas puede ser explicado en términos generales investigando los efectos gravitacionales de la Luna y el Sol en el océano.

Efectos Gravitacionales Sobre la Tierra La interacción de la Luna y la Tierra dan como resultado que los océanos del planeta crezcan hacia la Luna. En el lado opuesto de la Tierra a la Luna, el efecto gravitacional está parcialmente neutralizado por la Tierra, resultando en una menor interacción y los océanos ubicados en ese lugar se alejan de la Luna. Esto fenómeno es conocido como Marea Lunar.

La interacción gravitacional del Sol que resulta en un efecto idéntico aunque en menor grado, sobre el planeta donde de manera similar los océanos crecen y se alejan del sol en los lados adyacentes y opuestos de la Tierra. Este fenómeno es conocido como Marea Solar.

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Como el Sol y la Luna no están ubicados en posiciones fijas respecto al planeta, ya que cambian de posición constantemente, su influencia en el rango de mareas (la diferencia entre la marea alta y baja) también se ve afectada. Por ejemplo, cuando la Luna y el Sol están en línea con la Tierra, el rango de marea es la superposición del rango de las Mareas Lunar y Solar. Esto resulta en el rango de marea máximo (mareas de primavera). Por el contrario, cuando la Luna y el Sol están ubicados en ángulo recto a cada uno, se producen las diferencias de mareas más pequeñas, resultando en las Mareas Muertas.

Efecto Gravitacional del Sol y La Luna en el Rango de Mareas

El rango de la marea de primavera es normalmente el doble de la de la marea muerta. En el océano abierto, la amplitud máxima de las mareas es de aproximadamente un metro. Las amplitudes aumentan sustancialmente hacia la costa, particularmente en los estuarios.

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Principio de Formación de Mareas.‐ El Sol calienta la Tierra, las aguas y el aire que la rodean, pero este calentamiento no es uniforme. El aire se calienta más en ciertas partes del planeta que en otras. A mayor calor el aire se torna más liviano y se eleva, dando lugar a zonas de bajas presiones. Los astros generadores de la marea son como ya mencionamos en orden de importancia, la Luna y el Sol. Juntos dan lugar a la marea, pues ambos atraen las masas de agua de la Tierra en la misma forma que ésta atrae objetos próximos a su superficie, las aguas de las cuencas oceánicas también se ponen en movimiento. Una vez que esto ocurre, se manifiesta el fenómeno de la marea. El movimiento de los grandes volúmenes de agua por efecto de la marea es una forma de movimiento ondulatorio.

El Gradiente Térmico del Mar La conversión de energía térmica oceánica es un método de convertir en energía útil la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y el agua que se encuentra a 100 m de profundidad.

En las zonas tropicales esta diferencia varia entre 20 y 24º C. Pero para fines de aprovechamiento es suficiente una diferencia de 20º C. Las ventajas de esta fuente de energía se asocian a que

un salto térmico

permanentemente generado resulta benigno desde el punto de vista medioambiental. También se pueden dar ventajas secundarias, tales como la generación de alimentos y agua potable, debido a que el agua fría profunda es rica en sustancias nutritivas y sin agentes patógenos.

El diseño de una instalación de este tipo involucra: plataformas profundas, materiales complejos, desarrollo tecnológico y el máximo inconveniente es el económico y la baja rentabilidad que generan comparada con otras tecnologías actualmente explotadas y

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que

resultan más rentables otra limitante esta dada también por la agresión que

supondría para el medio ambiente marino.

Las Mareas como Recurso para Producir Energía La energía de las mareas presenta un potencial muy grande para mejorar el transporte, debido al desarrollo de puentes para automóviles y ferroviarios sobre las barreras construidas en los mismos estuarios, Las mareas pueden proveer una base de generación de energía para reemplazar a las tecnologías contaminantes que dañan directamente el medio ambiente.

Barrera de Marea sobre la cual se Encuentra Construida una Autopista que Interconecta los Extremos del Estuario

Generación de Energía Eléctrica a Partir de Mareas La generación de electricidad a través de las mareas es muy similar a la generación hidroeléctrica, excepto que el agua no recorre un solo sentido, sino que va y viene (flujo y reflujo) y por lo tanto esto debe tenerse en cuenta al momento de desarrollar los generadores eléctricos.

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Los sistemas de generación más simples para plantas de mareas, son los sistemas de generación de reflujos, utilizan: •

Un dique, conocido como barrera, a lo largo de un estuario.

•

Las compuertas en la barrera que permiten que la cuenca de la marea se llene durante las mareas altas (mareas flujo) y que el agua pueda salir a través del sistema de turbinas durante la marea de salida (conocida como marea de reflujo).

Existen otras alternativas de sistemas de generación a través de las mareas de flujo, que generan energía de las mareas entrantes, pero tienen menos ventajas que los sistemas de generación de reflujo.

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Esquema de una Planta de Generación Eléctrica por Energía Mareomotriz

Equipos Principales. Turbinas utilizadas en las estaciones de energía de mareas Turbina de bulbo En los sistemas de turbina de bulbo, la turbina está completamente sumergida en el agua, haciendo del mantenimiento complicado y costoso, ya que se debe frenar el flujo del agua a través de la turbina para lograr acceder a ella.

Turbina de Bulbo

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Turbina de Borde Las turbinas de borde reducen este tipo de problemas ya que el generador está montado en la barrera, sobre las hélices de la turbina. Desafortunadamente, el rendimiento de este tipo de turbinas es difícil de regular y no son aptas para el uso sistemas de bombeo.

Turbina de Borde

Turbinas Tubulares En este tipo de turbinas, las hélices están conectadas a un largo eje y orientadas en un ángulo tal que permite que el generador se ubique sobre la barrera y por lo tanto sea fácilmente accesible para los controles de mantenimiento.

Turbina Tubular

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Desarrollo de la Tecnología Mareomotriz

La estación de energía de mareas más grande del mundo fue construida en el Estuario La Rance en Francia. De 240 MW.

La estación de Anápolis Royal, Canadá de 20 MW que fue terminada en 1984 y los sistemas más pequeños (menos de 500 kW) de la Bahía de Kislaya en Jagxia Creek, China, terminados por la misma década 70’s.

La preocupación que han generado los efectos sobre el medio ambiente de las barreras de mareas desde la construcción de la estación de energía, la inundación de estuarios y otros factores han generado el desarrollo de tecnologías que buscan producir un impacto menor en el medio ambiente.

Dos ejemplos claros de esto han sido las vallas de mareas y las turbinas (también conocidos como molinos de mareas).

Vallas de Mareas

Las vallas de mareas se componen de un número de turbinas de eje vertical que se montan sobre una estructura de valla (estructura metálica). Se forma una estructura que bloquea por completo el canal, forzando al agua a pasar entre ellos por las turbinas.

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Vallas de Marea con una Autopista Construida Encima de Ella

A diferencia de las estaciones de energía de barrera, estas vallas pueden ser utilizadas sin cuencas confinadas, por ejemplo: en un canal entre tierra firme y una isla cercana, o entre dos islas.

Las vallas de mareas tienen un impacto mucho menor en el ambiente, ya que no requieren la inundación de una cuenca, y son significativamente más económicos de instalar. Sin embargo las vallas de marea no están libres de efectos sobre el medio ambiente y la sociedad, ya que todavía se requiere que la estructura metálica pueda modificar la migración de animales marinos de gran envergadura y desviar las rutas de navegación de barcos.

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Turbinas de Mareas Este dispositivo en muy similar a una turbina de viento de eje horizontal, estas turbinas ofrecen ventajas significativas sobre los sistemas de barrera y de vallas, incluyendo menores efectos nocivos sobre el medio ambiente.

Turbina de Marea de Eje Vertical

Las turbinas de mareas utilizan las corrientes de mareas que se mueven con velocidades entre 2 y 3 m/s (4 a 6 nudos) generando entre 4 y 13 kW/m2.

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Una corriente de mayor velocidad (>3 m/s) puede producir daños en las hélices de la misma, mientras que a velocidades menores no generan beneficios económicos pues la generación energética en mínima.

Turbina de Corriente Marina (MCT’s) de 300 kW “SeaFlow” es la primera turbina de marea offshore, instalada en Lynmouth, Devon.

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Existen problemas con los sistemas de mareas que utilizan grandes represas para su generación, sin embargo existen otros métodos para generar energía de a partir de las mareas que no requieren este tipo de grandes construcciones y la reducción de las emisiones de gases que producen el efecto invernadero, gracias a la utilización de la energía de las mareas en reemplazo de los combustibles fósiles.

Ventajas y Desventajas de la Energía Mareomotriz.‐ Ventajas: •

Es una energía renovable.

•

No contaminante.

•

Silenciosa.

•

Bajo costo de materia prima.

•

Disponible en cualquier clima y época del año.

Desventajas: •

Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero.

•

Localización puntual.

•

Dependiente de la amplitud de mareas.

•

Traslado de energía muy costoso.

•

Efecto negativo sobre la flora y la fauna.

Impacto Ambiental de la Tecnología Mareomotriz La alteración del paisaje costero es un factor muy importante en lo que es el impacto ambiental generado por la tecnología mareomotriz, y que puede acarrear consecuencias tales como, afectar al desarrollo turístico de determinadas áreas con apreciación turística. La inundación de estuarios y bahías, de manera similar que para las generadoras hidroeléctricas puede causar migración de poblaciones enteras como también de fauna

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del lugar, considerando también que dentro el ecosistema del estuario podrían existir especies protegidas o en peligro de extinción. Alteración de la actividad pesquera, ya que la construcción dela barrera y la planta en si puede generar ausencia de peces de consumo humano cerca las cosas generando una escases y por ende incremento en mercado alimenticio.

Como ya mencionamos el ecosistema de especies marinas tanto animales como vegetales se puede ver amenazado, no solo por la migración de animales marinos, sino por que los mismos equipos pueden causar su muerte. Un ejemplo claro de ello son ls turbinas de marea que pueden llegar a emitir una frecuencia baja de longitud de onda que puede ser atendida por delfines y provoca que el animal de aproxime a las hélices llegando hasta causar su muerte.