Energia De Las Olas

Marzo 4, 2009 Código: 2034 Aplicación de los Fluidos Física Calor Ondas

Angélica Díaz Barrera [email protected] Ingeniería Industrial Franco Miranda Barraza [email protected] Ingeniería Industrial

Alida Marimón López [email protected] Ingeniería Mecánica Alberto Trillo Xiques [email protected] Ingeniería Industrial

FUENTE ALTERNATIVA DE ENERGÍA: ENERGÍA DE LAS OLAS

RESUMEN La energía mareomotriz es la que resulta de aprovechar las mareas, es decir, la diferencia de altura media de los mares según la posición relativa de La Tierra y La Luna, y que resulta de la atracción gravitatoria de esta última sobre las masas de agua de los mares. Esta diferencia de alturas puede aprovecharse interponiendo partes móviles al movimiento natural de ascenso o descenso de las aguas, junto con mecanismos de canalización y depósito, para obtener movimiento en un eje. Mediante su acoplamiento a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica, una forma energética más útil y aprovechable. Es un tipo de energía verde. INTRODUCCIÓN En la actualidad, la crisis energética ha llevado que los países industrializados desarrollen investigaciones sobre llamadas fuentes alternativas de energía, entre las que se encuentra la energía eólica, solar, mareomotriz, geométrica y la energía de la fusión nuclear con el fin de abastecer sus países con energía eléctrica. Esto comportamiento se debe a que los recursos naturales, saltos naturales de los ríos, donde se obtiene la energía hidráulica convencional se esta agotando por la contaminación del planeta y su vez por el calentamiento global.

La utilización de de la energía del mar se estudia actualmente entres campos distintos: la energía de las mareas, la energía de las olas y la energía térmica. Las centrales mareomotrices aprovechan la brío de las mareas para obtener energía, pues está es producida por rotación de la tierra o por el calor del sol, y en ella se tiene presente la amplitud de la marea, la altura unitaria, la oscilación anual , la oscilación mensual, la oscilación diaria. La energía mareomotriz tiene la cualidad de renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y limpia, ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han evitado una proliferación notable de este tipo de energía.

Gracias a la investigaciones de la primera central maremotriz, central de Rance, Francia se ha venido extendiendo la investigación y aplicación de este tipo de energía, debido a su simplicidad de instalación de las centrales y economía en la obra civil. HISTORIA Y PROPÓSITO1 Las olas, particularmente 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. Los vientos fuertes que soplan en la costa oeste de Europa esta idealmente situada para explotar la energía de las olas. La energía de las olas es relativamente una tecnología nueva y las investigaciones más intensas fueron en la década de los 70 y 80 bajo programas promovidos por distintos gobiernos e industrias. Todavía se están llevando a cabo investigación sobre la energía de las olas y se han beneficiado de los fondos aportados por la Comisión Europea. Como resultados, se ha propuesto una amplia variedad de dispositivos para la energía de las olas en las últimas tres décadas, comprendiendo diferentes formas, tamaños y métodos de extracción de la energía. Aunque muchos de estos nunca pasaron de la etapa de diseño, muchos han sido objeto de trabajos de investigación y 1

ROSS, David, Energy from Waves (Pergamon, 1979),

desarrollo y algunos han sido desplegados en el mar como prototipos o demostraciones. La energía de las olas, o energía undimotriz, ha sido acogida como la más prometedora fuente de energía renovable para los países marítimos. No causa daño ambiental y es inagotable – las olas van y vienen eternamente. El recurso potencial es vasto. Por lo general se lo estima en unos 2.000 gigavatios (GV). La posibilidad de obtener energía de las olas se ha estudiado desde la época de la Revolución Francesa, cuando las primeras patentes fueron registradas en París por un padre e hijo de apellido Girard. Ellos habían observado que “la enorme masa de un barco de la línea, que ninguna otra fuerza es capaz de levantar, responde al más leve movimiento de las olas”. Poco progreso tuvo lugar en convertir este movimiento en energía útil hasta el último cuarto del siglo pasado, principalmente por falta de conocimiento científico de lo que era una ola, cómo avanzaba y cómo podría ser transformada. Por otra parte, también existía un merecido respeto por la naturaleza formidable de la tarea, y el considerable capital necesario tampoco estaba disponible. COMPORTAMIENTO2 A diferencia de la energía hidroeléctrica, la energía de las olas no puede contar con el flujo de agua en una sola dirección. No es posible colocar una rueda de agua en el mar y hacerla girar y generar electricidad, a pesar de que, para el espectador en la costa, parecería que las olas avanzan hacia la costa en línea recta. Leonardo da Vinci observó que, cuando el viento soplaba sobre un trigal parecía que olas de trigo corrían a través del trigal, mientras que, en efecto, sólo las puntas individuales se movían ligeramente. Lo mismo sucede con las olas en el mar, que también pueden compararse con el movimiento de una cuerda para saltar a la comba. Cuando se mueve uno de sus extremos, una forma de onda se transporta al otro – pero la cuerda misma no avanza. Una ola se desplaza hacia adelante en un movimiento esquivo, arriba y abajo. Su altura máxima es la indicación clave de su fuerza. De manera que, cuanto más agitado el mar, más potencialmente fructífero será, pero también más difícil resulta cosechar su energía. Por ende, los ingenieros de energía de las olas deben diseñar una 2

ROSS, David, Power from the Waves (Oxford University Press, 1995) Scuppering the Waves (Open University Network for Alternative Technology, 2001).

central eléctrica capaz de absorber la fuerza de las olas más feroces sin peligro de naufragar.

INTENTOS Yoshio Masuda, inventó la Columna de Agua Oscilante – Oscillating Water Column (OWC) –, una chimenea instalada en el lecho del mar que admite las olas a través de una apertura cerca de su base. Al subir y caer las olas en el mar abierto, la altura de la columna de agua que contiene también sube y baja. Cuando el nivel del agua sube, el aire es forzado hacia arriba y fuera a través de una turbina que gira e impulsa el generador. Al volver a caer, el aire es succionado de vuelta de la atmósfera para llenar el vacío resultante, y el turbogenerador es activado nuevamente.

Fig. 1. Columna de Agua Oscilante (OWC)

Noruega lanzó una estación de energía undimotriz en la costa cercana a Bergen en 1985, que combina una OWC instalada enfrentando las olas, con un invento noruego denominado tapchan (de las palabras inglesas “tapered channel” o “canal rematado en punta”). Las olas suben por una pendiente de hormigón a una punta a 3 metros encima del nivel del mar, donde caen a un depósito. El agua fluye de vuelta al océano a través de la turbina que impulsa a un generador. Diversas iniciativas de energía undimotriz de pequeña escala – de 100 kilovatios (kV) a 2 megavatios (MV) – están instalándose actualmente en más de una docena de países. Escocia ha operado una OWC experimental de 75 kV en la costa de la isla de Islay durante 11 años, que ahora ha sido reemplazada por un modelo de 500 kV, llamado

Limpet, frente a las olas que vienen a romperse en las rocas desde 5.000 kilómetros del Atlántico. El mismo grupo de investigadores está planeando un dispositivo de alta mar de 2 MV llamado Osprey. Portugal ha estado trabajando durante varios años en una OWC en la isla de Pico en las Azores. Los problemas técnicos se han ido solucionando paulatinamente – sólo las aplicaciones prácticas han sido de pequeña escala. La energía de las olas está clamando por la instalación de centrales energéticas de 2.000 MV en las profundidades del océano. El gran obstáculo es financiero. La energía de las olas no fue diseñada para ahorrar dinero sino para salvar el mundo. DISPOSITIVOS: 1. PELAMIS: Principio Básico: El sistema Pelamis de obtención de energía está diseñado más desde el punto de vista de resistencia a las condiciones marinas que para obtener la más eficiente conversión de energía posible. Por tanto, en vez de intentar absorber toda la energía disponible en cada ola, convierte solo una porción. El objetivo es que el sistema pueda sobrevivir casi sin mantenimiento en condiciones meteorológicas marinas muy adversas (tormentas, ciclones) que podrían dañar un sistema optimizado solamente para la eficiencia de conversión. Funcionamiento: El sistema Pelamis consiste en una serie de secciones cilíndricas parcialmente sumergidas, unidas por juntas bisagra. La ola induce un movimiento relativo entre dichas secciones, activando un sistema hidráulico interior que bombea aceite a alta presión a través de un sistema de motores hidráulicos, equilibrándose con el contenido unos acumuladores. Los motores hidráulicos están acoplados a un generador eléctrico para producir electricidad. Se estima que la cantidad de energía obtenida por 30 de estos sistemas, podría abastecer aproximadamente 20.000 hogares con un consumo medio europeo. La potencia de todos los sistemas hidráulicos de un elemento se transporta mediante un sólo cable a una base situada en el lecho oceánico. Varios elementos se pueden interconectar a una misma base para unir su potencia de generación y trasladar la energía producida mediante un sólo cable submarino hacia la costa

Fig. 2. Dispositivo Pelamis

2. WAVEDRAGON: El Dragón de olas es el primer sistema de conversión de energía undimotriz que funciona en alta mar. Surge a partir de un proyecto de investigación de la Unión Europea, el primer sistema en producción está conectado a la red eléctrica danesa. Anclado en el agua, el mecanismo, que pesa 237 toneladas, recupera la energía generada por las olas que sobrepasan el borde de la estructura. Principio Básico: Dicho agua se almacena inicialmente en una balsa, para pasar después por unas turbinas que generan la electricidad. El prototipo original es de un cuarto del tamaño del sistema completo. En cuestiones de costo esta tecnología está a un nivel comparable al de las estaciones de energía hidroeléctrica tradicionales. Ya hay planes de construir e implantar unidades de producción en varios lugares de la Unión. La idea básica del dragón de olas es usar principios bien estudiados en otros sistemas hidroeléctricos, pero en el contexto de una plataforma flotante. El mecanismo es muy sencillo: Una barrera captura el agua de las olas que sobrepasan un cierto nivel y la almacena en un estanque flotante. Al pasar por unas turbinas

hidroeléctricas, su energía potencial se convierte en energía eléctrica, completando el ciclo de tres fases (absorción, almacenamiento y conversión). Tecnología: El dragón de olas es un conversor energético flotante, que funciona anclado al fondo del mar convirtiendo la energía potencial del agua que alcanza su balsa central en energía eléctrica. Puede ser instalado individualmente o en cadena con hasta varios cientos de estructuras similares, lo que resultaría en una planta con una capacidad similar a la alcanzada por una planta de fuel o carbón tradicional. El primer prototipo conectado a la red está actualmente instalado en Nissum Bredning, Dinamarca. Se están llevando a cabo pruebas de desempeño a largo plazo, para determinar la potencia y disponibilidad de energía bajo diferentes condiciones marítimas. El concepto del dragón de olas combina tecnologías marítimas y de hidroturbinas ya existentes y maduras, de una forma nueva y original. Ésta es la única tecnología de su clase que puede escalar fácilmente. Debido a su tamaño, las tareas de mantenimiento y reparo pueden llevarse a cabo en el lugar de producción, lo que abarata los costos en comparación con otras alternativas. Con frecuencia, los conversores de energía undimotriz utilizan bien el movimiento o las diferencias de presión producidas por las olas del mar, y existen numerosas técnicas para conseguirlo (columnas oscilantes de aire/agua, palas giratorias, etc.). El dragón de olas no usa ningún mecanismo intermedio, sino que simplemente captura la energía potencial del agua elevada de forma natural. De construcción muy simple, este mecanismo sólo tiene una parte móvil: las turbinas. Esta característica es esencial en cualquier sistema diseñado para funcionar en alta mar, a merced del oleaje y las tempestades. Sin embargo, el dragón de olas tiene un muy complejo diseño conseguido tras un gran esfuerzo investigador, que ha conseguido: • • • •

Optimizar el llenado del estanque interno. Reducir la tensión en las barreras de desvío del oleaje y en el sistema de anclaje. Limitar el coste de construcción, mantenimiento y funcionamiento. En definitiva, producir cuanta energía eléctrica sea posible al mínimo coste, de un modo ecológico y confiable.

Fig. 3. Dispositivo Wavedragon

3. POWERBUOY La central eléctrica se compone de boyas múltiples de transmisión subacuática cablegrafía. Una central eléctrica del OPT 10-Megawatt ocuparía solamente aproximadamente 4 acres de espacio del océano. El sistema de la generación de la onda de PowerBuoy™ del OPT utiliza "una boya discreta" de alta mar para capturar y para convertir energía de la onda en una fuerza mecánica controlada que conduzca un generador eléctrico. El levantamiento y el caer de las ondas de orilla hacen la boya moverse libremente hacia arriba y hacia abajo. El rozamiento mecánico resultante que se produce en el interior de la boya activa el generador eléctrico. La corriente ALTERNA generada se convierte en la C.C. del alto voltaje y se transmite en tierra vía un cable de transmisión subacuático. Navaid tower = Mástil de señalización Water line = Nivel de agua Wave energy converter = Boya convertidor de energía Power transmission cable = Cable de transmisión de la energía. Sea floor = Suelo marino System controls canister = Sistema de control To shore = Hacia tierra firme. ENERGÍA DE LAS OLAS Fig. 4. Sistema PowerBuoy

Ventajas 1. Es una fuente renovable de energía 2. No es contaminante. 3. Silenciosa 4. Idónea para lugares donde no llegan las redes de suministros convencionales 5. Disponible en cualquier época del año y cualquier clima Desventajas 1. Produce impacto ambiental, visual y estructural sobre el paisaje costero 2. Depende de la amplitud de la marea 3. Impacto sobre la fauna y flora 4. Potencia ilimitada 5. Alto costo de las instalaciones Referencias Bibliográficas MATAIX, Claudio, Mecánica de fluidos y máquinas hidráulicas, Alfaomega, 2005, México. Referencias Web 1. http://www.pdfcoke.com/doc/7437573/Energia-de-Los-Mares 2. http://www.alcion.es/DOWNLOAD/ArticulosPDF/en/E%20SO%205.pdf 3. www.esru.strath.ac.uk/.../wave%20power.htm 4. postmanpatel.blogspot.com/2008/08/marine-wave... 5. http://www.asi-conferences.com/html/sect_energy_links.html#