ENERGÍA DE LOS OCÉANOS: PRINCIPIOS Y ESTADO ACTUAL DEL ARTE CARLOS POLO BRAVO CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE TACNA AREQUIPA, 16 – 21 NOVIEMBRE DE 2015.

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2 ENERGÍA DE LOS OCÉANOS: PRINCIPIOS Y ESTADO ACTUAL DEL ARTE CARLOS POLO BRAVO CENTRO DE ENERGÍAS RENOVABLES DE TACNA AREQUIPA, 16 – 21 NOVIEMBRE DE 2015 ASOCIACIÓN PERUANA DE ENERGÍA SOLAR Y DEL AMBIENTE UNIVERSIDAD NACIONAL SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA XXII SIMPOSIO PERUANO DE ENERGÍA SOLAR

3 RENOVABLESNO RENOVABLES Agua almacenada ( Energía hidraúlica) Combustibles fósiles: Carbón mineral, petróleo, gas natural) El sol (energía solar: electromagnética) Geotérmica El viento (energía eólica. cinética) Uranio (energía nuclear de fisión) La biomasa (biocombustibles: etanol, aceites vegetales; leña, biogas Energía de océanos: mareas, olas, gradiente térmico, corrientes marinos, gradiente salino Hidrógeno FUENTES DE ENERGÍA

4 ENERGÍA DE LOS OCÉANOS

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6 Básicamente existen cinco principios o formas de EXTRACCIÓN de energía de los océanos: Las mareas, basadas en las subidas y bajadas del nivel del mar provocadas por los efectos gravitatorios de la Tierra, el Sol y la Luna. Las olas, provocadas por la acción del viento sobre la superficie del mar, trasladándose a través de kilómetros de distancia. Las corrientes marinas, originadas por las diferencias de sal, temperatura, densidad, así como la evaporación y la rotación de la tierra. El gradiente térmico, debida a la diferencia de temperatura existente entre las distintas capas de agua más o menos profundas. El gradiente salino, que aprovecha la diferencia de concentración de sal entre las aguas del mar y de la desembocadura de los ríos.

7 ENERGÍA DE LAS MAREAS Ó MAREMOTRIZ

8 Dinámica de las mareas: FUERZA GENERADORA DE LA MAREA

9 EFECTOS DE LAS FUERZAS DE ATRACCIÓN Y CENTRÍFUGA TIERRA-LUNA

10 Gracias a la rotación de la Tierra se obtienen, en cada punto del océano, cada día, dos pleamares y dos bajamares, lo que se conoce como marea de tipo semidiurno Las mareas son las ondas más largas del océano, con períodos del orden de 12 a 24 horas y longitudes de onda comparables con la longitud de la circunferencia terrestre en el Ecuador La amplitud de una marea es extremadamente variable de un litoral marítimo a otro, nula en algunos mares interiores, como en el Mar Negro, entre Rusia y Turquía; de escaso valor en el Mediterráneo, en el que sólo alcanza entre 20 y 40 centímetros, al igual que en el océano Pacífico; por el contrario, se amplifica y alcanza valores notables en determinadas zonas en donde la profundidad del mar es pequeña, o la costa tiene una escasa inclinación, o una configuración que origina una interferencia por las costas, o existen fenómenos de resonancia como sucede en algunas bahías en las que el agua puede subir su nivel varios m debido a que el tiempo de vaciado y llenado de las mismas coincide con el período de la marea, etc..

11 11 PERFIL DE MAREAS NATURALES Boyle, Renewable Energy, Oxford University Press (2004)

12 12 Lugares potenciales para uso de las mareas Boyle, Renewable Energy, Oxford University Press (2004) Sólo alrededor de 20 lugares en el mundo han sido identificados para el Aprovechamiento de las mareas

13 MAREA ALTA

14 MAREA BAJA

15 Tides High and low tides in use

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17 17 ENERGIA DE LAS CENTRALES DE MAREAS R = altura de la marea (m) A = superficie del embalse (km 2 ) m = masa de agua g = 9.81 m/s 2 = constante gravitacional  = 1025 kg/m 3 = densidad del agua de mar   0.33 = factor de capacidad (20-35%) Asumiendo 706 ciclos de marea por año (12 hrs 24 min por ciclo)) Tester et al., Sustainable Energy, MIT Press, 2005

18 Ventajas de la energía maremotriz Es auto renovable, no contaminante, silenciosa, bajo costo de materia prima, no concentra población, disponible en cualquier clima y época del año, no presenta problemas de sequía como la hidráulica, dado que el promedio de amplitudes de marea prácticamente se puede considerar constante a lo largo del año, etc. Desventajas Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero, localización puntual que depende de la amplitud de las mareas, traslado de energía muy costoso, efecto negativo sobre la flora y la fauna aunque con el tiempo aparecen nuevas especies, limitada, etc.

19 CENTRAL ELÉCTRICA MAREOMOTRIZ

20 DIQUE DE LA CENTRAL MAREMOTRIZ DE RANCE, FRANCIA

21 La planta de energía mareomotriz de La Rance de 240 MW situada en el estuario del río Rance, en Bretaña, Francia, ha estado en funcionamiento desde el año 1966 siendo por tanto la estación de energía mareomotriz más antigua y la segunda más grande del mundo. La planta de energía renovable, actualmente operada por Electricité de France (EDF), tiene una capacidad de generación anual de 540 GWh.

22 PLANTA MAREOMOTRIZ SIHWA LAKE, COREA DEL SUR Con una capacidad de potencia de 254 MW, localizada en el Lago Sihwa a unos 4 km de la ciudad de Siheung, Corea del Sur, es la planta de energía mareomotriz más grande del mundo. La energía de la planta es generada en las entradas de marea en la cuenca de 30 km² con la ayuda de 10 turbinas de bulbo sumergidas de 25,4 MW, c/u. En la actualidad, la capacidad de generación anual de las instalaciones se situan en los 552,7 GWh.

23 PLANTAS DE MAREAS EN EL MUNDO

24 Energía de las olas (UNDIMOTRIZ) Las olas del mar son un derivado terciario de la energía solar. El calentamiento de la superficie terrestre genera viento, y el viento genera las olas GENERADORES DE LA ENERGÍA DEL OLEAJE: OWCs

25 ENERGÍA DE LAS OLAS

26 Representación esquemática de los TIPOS DE OLAS que existen en la superficie del océano y de la energía en ellas contenida por Acción del viento, terremotos y tormentas, Sol, Luna

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28 SISTEMAS Dispositivos de generación fijos: Estos dispositivos son los que están construidos en la línea costera (en la rompiente de las olas) o fijados al lecho marino en aguas poco profundas. Dispositivos de generación flotantes: Estos sistemas se encuentran flotando en el océano ya sea cerca o lejos de la costa. Característica de una ola Tiene la capacidad de desplazarse a grandes distancias prácticamente sin pérdida de energía, por ello la energía en cualquier parte del océano acaba en el borde continental. De este modo la energía se concentra en las costas.

29 Esta energía se da por el aprovechamiento de 3 fenómenos

30 TÉCNICAS DE UTILIZACIÓN ENERGÉTICA DEL OLEAJE Empuje de la ola: En aguas poco profundas la velocidad horizontal de las olas no varía con la profundidad; la energía de las olas se puede absorber mediante un obstáculo que transmite la energía a un pistón; es un sistema poco usado

31 Variación de la altura de la superficie de la ola Situando estructuras flotantes que se mueven con las olas, sintonizadas de manera que puedan captar su energía Variación de la presión bajo la superficie de la ola Son los sistema de columna de agua oscilante; consisten en una cámara abierta al mar, que encierra un volumen de aire que se comprime y expande por la oscilación del agua inducida por el oleaje

32 32 LUGARES CON POTENCIALES ENERGÉTICOS DE LAS OLAS http://www.wavedragon.net/technology/wave-energy.htm energía promedio de las olas (estimada.) en kW/m (kW por metro de longitud de ola)

33 33 Potencial de la energía de las olas Potential of 1 500 – 7 500 TWh/año –Entre el 10 al 50 % de la demanda actual mundial de energía –IEA (International Energy Agency) 200 000 MW de potencia con energía de las instaladas el 2050 –producción de energía of 6 TWh/año –Factor de carga 0.35 –DTI and Carbon Trust (UK) “Independiente de los valores estimados, el potencial para la generación de energía, libre de contaminación, es enorme” El potencial energético de las olas es afectada por las mareas marinas http://www.wavedragon.net/technology/wave-energy.htm

34 Los sistemas activos son aquellos en los que los elementos del dispositivo, al moverse a impulsos del oleaje, generan energía aprovechando el movimiento relativo entre sus partes fijas y móviles. Los sistemas pasivos son aquellos en los que la estructura permanece inmóvil, generándose energía directamente, a partir del propio movimiento de las partículas de agua. TIPÓS DE MOVIMIENTO ORIGINADOS POR EL AGUA

35 Esquemas del estado actual del aprovechamiento de la energía de las olas

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37 WAVE DRAGON (el empuje de la ola) 237 Toneladas. Brazos 58 m de largo. Hace uso de tecnología madura (turbinas) No tiene piezas móviles, obtiene energía al convertir energía potencial. Se instala en aguas profundas (+40m) para aprovechar más la energía de las olas antes de que se pierda cerca de la zona costera. En las costas de Nissum Bredning, Dinamarca, desde 2004

38 PELAMIS (variación de la altura) Es una estructura flotante que al ser movido por las olas genera electricidad, se estima que puede abastecer a 80 hogares con un consumo medio. Está compuesta por secciones unidas por juntas de bisagra, en donde el movimiento de estas es resistido por arietes hidráulicos, que bombean aceite a alta presión a través de los generadores hidráulicos. Estos motores hacen que los generadores produzcan electricidad. La estructura se mantiene en posición por un sistema de anclaje compuesto por cables. PLANTA PELAMIS

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40 POWERBUOY Consiste en una boya exterior que se mueve verticalmente siguiendo las ondas de las olas. El sistema se ancla al fondo de mar en profundidades de alrededor de 14 m. Todo el dispositivo se fija al fondo mediante un ancla de 100 toneladas. La energía obtenida es llevada a tierra por un cable submarino. (variación de la altura)

41 Un cilindro hidráulico en su interior comprime un fluido con el vaivén de la boya haciendo girar un generador que produce electricidad. La energía AC generada se convierte en DC de alto voltaje y se transmite a la costa a través de un cable submarino.

42 FORMAS DE APROVECHAR LA ENERGÍA DE LAS OLAS

43 IMPACTO AMBIENTAL Los OWCs en el litoral o cerca de él pueden tener impactos considerables sobre el medio ambiente. La absorción y modificación del oleaje puede variar la morfología de la costa y de la vida marina. Sus efectos positivos pueden ser la disminución de la erosión de playas, o la creación de zonas tranquilas para recreo o cultivos pesqueros, siendo de esperar que la variación de los procesos en el litoral afecten a las zonas de reproducción de la vida marina. - El clima marítimo se altera (sedimentos; ecosistema) - Emisión de ruido; intrusión visual - Efectos sobre lo reproducción de algunas especies. y sobre los sedimentación en costas y playas - Riesgos para lo navegación -Posibles beneficios: amortiguamiento del oleaje en zonas portuarios o erosionables -Propulsión de barcos

44 ENERGÍA DE LAS CORRIENTES MARINAS

45 Ventajas que se pueden esperar de estos aprovechamientos -Posibilidad de predecir su disponibilidad. -Factores de capacidad del 40 al 60% (el doble del de otras fuentes renovables intermitentes). -Impacto medioambiental mínimo; no producen contaminación visual, polución o ruido ya que sus rotores son lo suficientemente lentos, no afectando a la vida marina. - Las condiciones bajo el mar durante una tormenta son relativamente benignas; se puede decir que está tecnología es inmune a las tormentas, al contrario que los sistemas situados en la costa o los que aprovechan la energía de las olas

46 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA DE LAS CORRIENTES MARINAS Técnicas de captación Rotores axiales (tipo hélice, de eje horizontal) Rotores de flujo cruzado (tipo Giromill, de eje vertical)

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48 ENERGÍA EXTRAIBLE EN FUNCIÓN DEL DIÁMETRO DEL ROTOR

49 49 CARACTERÍSTICAS DE LAS TURBINAS (MCT Seagen)) 750 kW – 1.5 MW Rotor: 15 – 20 m 3 m monopile 10 – 20 rpm Dispuestas en unidades multiples alineadas Parecidas a las turbinas eólicas, pero –densidad del agua es 800 > que del aire –Rotores pequeños –Espaciadas mas cerca una de otra http://www.marineturbines.com/technical.htm MCT Seagen Pile

50 50 PLANTAS DE TURBINAS MARINAS

51 51 Turbinas oscilantes Oscilan para arriba y abajo Prototipos de 150 kW operaban (2003) Protoptipos de Plantas de 3 – 5 MW Boyle, Renewable Energy, Oxford University Press (2004) http://www.engb.com

52 Las máquinas térmicas 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. Un dispositivo para la conversión de la energía térmica del océano consiste en una máquina térmica diseñada para operar entre una temperatura relativamente cálida como es la de la superficie del océano y otra más baja como la temperatura del agua que se encuentra a grandes profundidades; este punto de vista fue sugerido por primera vez por el físico francés d’Arsonval en 1881, llamados sistemas CETO ENERGÍA TÉRMICA OCEÁNICA Ó MAREMOTÉRMICA

53 En la práctica, la diferencia de temperatura requerida para que la operación resulte económica es de alrededor de 20°C; a un nivel de 600  900 m bajo la superficie del océano, la temperatura es de aproximadamente 5 a 8ºC. Para lograr la diferencia de temperatura deseada ya citada, se deben buscar regiones geográficas de la superficie del océano calentadas por el sol en donde la temperatura promedio sea de 25°C  30°C, como mínimo en los mares tropicales existe una diferencia de temperatura, entre la superficie y una profundidad de 1000 m, del orden de 18ºC  20°C que podría aprovecharse para accionar una máquina térmica de vapor. La conversión de la energía térmica del océano indica la energía que es posible producir aprovechando la diferencia de temperatura existente entre el agua superficial y la más fría de las capas profundas; esta diferencia es más sensible en las regiones tropicales, donde se alcanzan generalmente los 20°C, entre la superficie y los 500 m de profundidad.

54 Zonas térmicamente favorables; se encuentran en las regiones ecuatoriales y subtropicales

55 SISTEMAS C.E.T.O Un sistema C.E.T.O. es un ciclo de potencia de vapor, tipo Rankine, que opera en condiciones bastante especiales; como las temperaturas en el evaporador y el condensador son bajas, se debe escoger un fluido de trabajo cuya presión de vapor sea bastante grande a esas temperaturas; por ejemplo: - El propano (C 3 H 8 ) tiene una presión de vapor de alrededor de 5,5 atm a 5°C y un valor aproximado de 9,5 atm a 25°C - El amoniaco tiene a las temperaturas citadas, presiones de vapor de 5,2 atm y 10,3 atm respectivamente

56 Generación de energía a partir de las diferencias de temperaturas del agua. Para el aprovechamiento es necesaria una diferencia de 20º C entre la superficie y las profundidades del mar

57 Disposición esquemática de una central CETO de 100 MW

58 FUTURO? En una sociedad con incremento en sus necesidades energéticas, es muy importante contar con fuentes alternativas de energía para cubrir la demanda creciente de energía La capacidad de la energía de las olas, corrientes marinas y mareas es mayor a las reservas de carbon y el petróleo, y sobre todo es renovable. Varios países han mostrado mucho entusiasmo en desarrollar la energía de los oceános como una perfecta fuente de energía para el futuro.

59 MUCHAS GRACIAS…… CARLOS POLO BRAVO CERT – UNJBG E-mail: polodomando@gmail.com