AMPLITUD DE MAREAS (MAREOMOTRIZ)

Transcripción

1 (MAREOMOTRIZ) Características Sobre las costas, el nivel del mar aumenta y disminuye de manera periódica Además del movimiento vertical, se produce un movimiento horizontal (corrientes de marea) caracterizado por un cambio de velocidad y sentido. El agua de los mares se mantiene en contacto con la superficie terrestre por efecto de la fuerza de gravedad local. La fuerza de atracción gravitatoria entre Tierra-Luna y Tierra-Sol, y su movimiento relativo, introduce una perturbación que da origen al movimiento de los océanos (mareas). Pese a su tamaño relativamente pequeño, la proximidad de la Luna tiene un mayor efecto que el Sol. La relación entre la marea y el movimiento de la Luna se conoce muy bien, sin embargo el fenómeno de las mareas en un determinado lugar es 1 complejo (fricción y resonancias).

2 Causa de las mareas La Tierra y la Luna orbitan un baricentro común (indicado con O). La masa de la Tierra es 81 veces mayor a la de la Luna, por lo que el movimiento de Luna en torno a O es más evidente. M L M L L D L L M M M D Revolution El balance entre las fuerzas de atracción gravitatoria entre ambos cuerpos y las fuerzas inerciales mantiene la separación 2 2 M L M L G M M D 2 G = Nm 2 /kg 2 constante gravitacional 2

3 Causa de las mareas (cont.) Marea semidiurna Un elemento de masa m en la superficie de la Tierra ubicado en Y tiene una menor fuerza gravitatoria que en el punto X (mayor distancia). La fuerza resultante (suma vectorial de la fuerza gravitatoria y la inercial), en X apunta hacia la luna, y en Y en sentido opuesto. Las magnitudes de ambas son similares. El líquido de la superficie se mueve a causa de esta fuerza. Si la Luna estuviera en el plano ecuatorial de la Tierra, X e Y tendrían los picos al mismo tiempo, y cada punto del mar tendría dos picos diarios de igual amplitud. La pleamar (nivel máximo) se produciría sobre el meridiano por el cual está pasando la luna y en el opuesto. 3

4 Causa de las mareas (cont.) Marea semidiurna (cont.) El Sol ejerce una fuerza de atracción que se superpone a la de la Luna., introduciendo una diferencia en la amplitud de las mareas. En conjunción u oposición, las pleamares y bajamares son más amplias. Se denomina sicigia o marea viva (spring tide) y se dan en Luna nueva o llena. En cuadratura (cuartos) las pleamares y bajamares son menos pronunciadas. 4

5 Marea semidiurna (cont.) Período Es de 12h 25min (en un lugar dado, el nivel se eleva durante 6h 12,5min y desciende 6h 12,5min) Rango Es la diferencia entre los niveles de pleamar y bajamar. Varía durante el mes lunar (29.53 días). Máximo: en luna llena y nueva (conjunción). Mínimo en cuarto creciente y menguante (cuadratura). 5

6 Efectos adicionales El movimiento de las mareas se ve modificado por El movimiento inducido por la luna al pasar por un meridiano está retrasado respecto a ésta y cada océano tiene su patrón específico. Aparecen otras componentes frecuenciales porque la luna en general no se encuentra sobre el plano ecuatorial de la tierra, o la distancia a la tierra varía. Resonancias cerca de las costas. Dependiendo de la geografía el rango puede superar los 10m. 6

7 Lugares propicios En algunos lugares el rango puede alcanzar los 6 a 10 metros. Bahía de Fundy (Canadá) Estuario del río Severn (Inglaterra) Costa Patagónica (Argentina) Bahía de Kislaya (Rusia) La Rance (Francia) Costa del Mar de Okhost (Japón) 7

8 Sistemas de aprovechamiento De pileta simple Unidireccional Se llena el reservorio mientras la marea sube. Una vez que alcanza el nivel de pleamar, se cierran las compuertas de ingreso. Las compuertas de la turbina se abren cuando baja la marea baja lo suficiente como para tener una presión hidrostática adecuada para generar con la turbina. Bidireccional Se genera en ambas direcciones, cuando se llena el reservorio y cuando se vacía. Se requieren turbinas reversibles (requieren mayor presión hidrostática, es decir mayores rangos). 8

9 Sistemas de aprovechamiento De pileta simple (cont.) Máxima potencia media teórica con operación bidireccional (se genera dos veces por cada marea, T=6.2h) P A P g 2 2 R W/m 2T A R R W/m

10 Sistemas de aprovechamiento De pileta simple (cont.) Características La potencia real es del 25-30% de la máxima teórica. Debido a las pérdidas por fricción y al rendimiento de las turbinas/generadores Si el tiempo de generación se hace muy corto para aprovechar la máxima diferencia de presiones (rango) el conjunto turbinagenerador es muy grande y se utiliza en intervalos de tiempo muy cortos. Los picos de generación se van corriendo de un día a otro. Aunque son periódicos, no coinciden con los picos de demanda. 10

11 Sistemas de aprovechamiento De pileta simple modulada Corrige parcialmente las deficiencias de la pileta simple aprox. lineal y ar 1 C: compuerta cerrada G: compuerta abierta E-F: compuerta abierta, turbina con bypass 11

12 Sistemas de aprovechamiento De pileta simple modulada (cont.) 2 2 cos1 cos2 a 2 1 P R W/m, A -1 a h Características La potencia es significativamente menor que con pileta simple pero genera de manera más uniforme y con menor presión hidrostática. La altura promedio es menor y como la potencia es proporcional al cuadrado de ésta, el conjunto turbina-generador es más pequeño pero funcionan más tiempo. 12

13 Sistemas de aprovechamiento Pileta doble Las turbinas se ubican en el dique B. El tamaño de las piletas debe ser relativamente grande para que al vaciarla no cambie significativamente la altura hidrostática. Turbinas más pequeñas y generación sostenida. Obras civiles muy importantes impactos elevados. 13

14 Centrales en operación La Rance (St. Malo, Francia) Fue por mucho tiempo la mayor planta este tipo en el mundo. 240 MW instalados 600 GWh/año Funciona desde El rango de mareas es de los más grandes del mundo (máximo de 13.5 m). Reservorio de 22 km 2 capaz de contener 180x10 6 m 3 de agua. En los períodos de pico pasan m 3 /s de agua. 14

15 Centrales en operación La Rance (cont.) Obras civiles Se bloqueó del estuario con una estructura de 750m de largo y 13m de alto. Demandó 25 años de estudio y 6 años de construcción. 15

16 Centrales en operación La Rance (cont.) Turbinas De tipo bulbo, operan en ambas direcciones. El conjunto turbinagenerador está herméticamente protegido dentro del bulbo. Tiene 24 conjuntos de 5.3 m de diámetro, 470 ton, y 10 MW. Para incrementar el tiempo de operación también funcionan como bombas. Cuando el mar alcanza el nivel del reservorio se bombea agua para incrementar el nivel y generar por más tiempo. 16

17 Centrales en operación La Rance (cont.) Turbinas 17

18 Centrales en operación Sihwa (Corea del Sur) 254MW, 10 turbinas de bulbo unidireccionales de 25.4MW Inaugurado en agosto de 2011, utiliza una barrera de 12.5km construida en 1994 para mitigar inundaciones. 552 GWh anuales Reservorio de 30km 2 18

19 Centrales en operación Annapolis (Nueva Escocia, Canadá) 20MW y MWh dependiendo del rango Rango promedio de 7m. No es el mayor de la región (Bahía de Fundy) Proyecto piloto construido entre 1980 y 1984 Con todas las compuertas abiertas circulan 400 m3/s 19

20 Centrales en operación Annapolis (cont.) Turbina unidireccional de 7.6m de diámetro y 148 tn, se genera sólo en la dirección que vacía el reservorio (10 hs diarias, 5 hs por marea) 20

21 Otros tipos de turbinas Turbina Rim El eje del generador está en el interior del dique, a 90º de la turbina Turbina tubular El generador está en el interior del dique, gran longitud del eje, ubicación inclinada. 21

22 Evaluación del recurso en Argentina La amplitud de mareas en la Patagonia es de las más grandes del mundo. Alcanza cerca un máximo de 12 m en la Bahía Grande (Sta. Cruz). Las alturas de marea disminuyen hacia el norte, pero en los golfos de San José y Nuevo (Pla. Valdéz), los máximos son más elevados. Además se da un fenómeno de origen topográfico que produce un desfase horario constante entre las alturas de mareas de ambos golfos. 22

23 Proyectos en Argentina Trabajos del Cap. José A. Oca Balda Estudios del Dr. Damianovich y del Ing. Besio Moreno El Pres. Alvear designa una Comisión Honoraria Estudio del Ing. Juan Carlos Erramouspe. Estudio de Grupo Francés de Ingeniería (*) Informe del Ing. José Richterich (*) Estudios de la firma Sogreah (*) Propuesta del Ing. Loschakoff Propuesta del Ing. Miguel Rodríguez Estudio del Ing. Fenteloff Ley , Prop. por Agua y Energía(*) Estudio de los Ings. Aiskis y Zynglermaris (*): estudios que involucraban vincular los golfos 23 Fuente: M.R. Chingotto, Energía Mareomotriz. Sí? Dónde? No? Por qué? Conclusiones, Boletín del Centro Naval, No. 813, pp , enero/abril 2006

24 CORRIENTES DE MAREAS Características Cerca de las costas y entre islas cercanas, las mareas pueden producir fuertes corrientes. Se intercala un dispositivo para convertir la energía cinética del agua (hidrocinética) en energía eléctrica (similar a una turbina eólica). Ventajas La velocidad del agua es predecible. Por lo tanto se puede predecir la potencia generada. La densidad del agua es 1000 veces mayor que la del aire. No requieren construir una represa, ni bloquear el curso de agua. Desventajas Velocidades de las corrientes menores que las del viento. Trabajan en un ambiente marino. Aumentan los problemas relacionados con el mantenimiento, la resistencia y confiabilidad de los materiales, y la transmisión de la energía generada. 24

25 CORRIENTES DE MAREAS Densidad de potencia Siguiendo un razonamiento similar al viento, la densidad de potencia de la corriente de agua es P 1 A 2 v W/m 3 2 Para marea semidiurna, la velocidad varía en el tiempo de acuerdo a Suponiendo que se genera en ambos sentidos, la densidad de potencia media (ρ = 1025 kg/m 3 ) resulta v v sen 2 t max 12h 25min P A v t dt v v 2 / / max sen 2 / max max W/m 0 Debe agregarse el rendimiento de la conversión a potencia mecánica (Cp) y a eléctrica (generador). 25

26 CORRIENTES DE MAREAS Densidad de potencia (cont.) Comparación de las densidades de potencia y diámetros de rotores Viento Para viento con distribución de Raileigh: Para marea semidiurna: Relación de diámetros para tener la misma potencia Agua P A c P A 1 2 agua v 0.42 W/m 3 2 max 3 3/ 2 3 c med aire med c med w agua max max w max A v v D v A v v D v Relación diámetros para igual potencia 2 v 1.91 W/m w aire med V med [m/s] P med /A w [W/m2] V max [m/s] P med /A c [W/m2] D c /D w (v med =8m/s) (~1/3) 0.21 (~1/5) (~1/6)