8-5-2015 Energía Undimotriz CI5551 Seminario: Mercado de Energía Convencional y Renovable para Ingenieros Civiles INTEGRANTES: PROFESOR: TOMÁS CUEVAS ANDRÉS ULLOA GONZALO BADAL
Contenido 1. Origen... 2 2. Obtención de energía undimotriz... 4 3. Potencial y Proyecciones... 5 4. Desarrollo Actual... 8 5. Desarrollo energía undimotriz en Chile... 13 1
ORIGEN Se define a la energía undimotriz como aquella que es obtenida a través de la captación de la energía cinética contenida en el movimiento de las olas. Los primeros indicios de aprovechamiento del oleaje para la generación eléctrica datan del siglo XIX con la máquina Marmotor. Ésta funcionaba mediante una serie de boyas que subían y bajaban con las olas, transmitiendo el movimiento a unos generadores eléctricos. ILUSTRACIÓN 1: MARMOTOR. Se define como ola a todo tipo de oscilación en la superficie de agua que sea periódica. Entre las causas que generan esta oscilación se pueden encontrar el viento, fuerzas gravitacionales de la Luna y el Sol y movimientos tectónicos. Sin embargo, de todas ellas, probablemente es el viento el factor principal de generación de oleaje. Por ello se puede decir que la energía de las olas del mar es una manera indirecta de la energía solar, ya que el viento es generado por el calentamiento desigual de la superficie terrestre producto del Sol. Las olas se generan a partir de ondulaciones en las capas superficiales del mar debido al viento. Al crearse estas ondulaciones aumenta la superficie de contacto con el viento lo que genera más ondulaciones y eventualmente la formación de las olas que vemos comúnmente. 2
Las olas se caracterizan por tener: Longitud de onda (L): Distancia entre dos picos consecutivos. Altura de onda (H): Diferencia entre un pico y un valle. Periodo (T): Tiempo (en segundos) que tarda un valle o un pico de la ola en recorrer su longitud de onda. ILUSTRACIÓN 2: CARACTERISTICAS DE UNA OLA. El tamaño de una ola dependerá de tres factores: Velocidad del viento. Tiempo durante el cual éste está soplando. Distancia sobre el cual la energía del viento se transfiere al océano para formar olas. 3
OBTENCIÓN DE ENERGÍA UNDIMOTRIZ En general al mirar el océano se tiende a pensar que una ola es una gran masa de agua que viaja a través de la superficie del mar. Pero para entender cómo se obtiene la energía undimotriz es necesario darse cuenta que no es así. Una ola es el movimiento de energía, pero el agua no se traslada horizontalmente, sino que solamente se mueve de arriba hacia abajo. Este comportamiento es similar al de una cuerda al hacerla oscilar. Por tanto, una ola no refleja un flujo de agua, si no que representa un flujo de energía desde su origen hacia una eventual rotura (puede ser tanto la costa como en medio del mar). De esta manera es posible aprovechar la energía de las olas de 2 maneras: 1. Energía Cinética La superficie de los océanos está dada por las olas, sin embargo, para aprovechar la energía de éstas es necesario comprender que sucede bajo ellas. Las olas están constituidas por moléculas de agua que se mueven en forma circular. En la superficie del agua los movimientos son del mismo tamaño que la altura de ola, pero van disminuyendo a medida que se desciende por debajo de la superficie. Este movimiento circular cambia a elipsoidal a medida que las olas se van acercando a aguas más someras. Es éste movimiento circular (o elipsoidal dependiendo de la cercanía a la costa) el cuál puede ser aprovechado, directamente mediante hélices o indirectamente mediante dispositivos compuestos por columnas oscilantes de agua, para la generación eléctrica. 2. Energía Potencial ILUSTRACIÓN 3: MOVIMIENTO MOLÉCULAS DE AGUA. En su movimiento circular las moléculas de agua son elevadas encima de la línea inmóvil de la superficie del agua, lo que representa una energía potencial. 4
POTENCIAL Y PROYECCIONES La energía de las olas oceánicas es enorme. Incluso la fracción de la energía que es potencialmente explotable es muy grande comparada con el consumo actual de electricidad en el mundo. Se han realizado diversos estudios con el propósito de estimar el potencial mundial. Se estima que la energía mundial explotable es de 2TWh año, lo cual corresponde a un 10% de la demanda global. Las aguas de Europa son capaces de cubrir más del 50% del consumo total de potencia en dicho continente. Por otro lado, el potencial undimotriz en Chile es de 1600 TWh. Este potencial supera en 23 veces el consumo eléctrico en Chile, y corresponde al 9% de la demanda global (Garrad Hassam, 2009). La potencia P, en kw por metro de ancho de ola, contenida en una ola oceánica idealizada (onda selenoidal de amplitud constante, periodo y longitud de onda bien definidos) puede expresarse según la siguiente ecuación: Las olas con periodos largos (entre 7 y 10 s) y grandes amplitudes (del orden de 2 m) tienen un flujo de energía que normalmente excede los 40-50 kw por metro de ancho. Para medir la altura y el periodo de las olas se utilizan dispositivos o satélites con los cuales es posible obtener la variación del nivel medio del mar durante un determinado periodo de tiempo. ILUSTRACIÓN 4: DISPOSITIVOS DE MEDIDA DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL OLEAJE. 5
Con los datos recopilados es posible calcular lo que oceanógrafos denominan la altura significativa de las olas HS, la cual se define como la altura promedio de la tercera parte de las olas más altas en un registro, y el periodo energético o periodo de nivel cero Te; este último se define generalmente como el 80% del periodo peak TP. Como la mayoría de las fuentes de energías renovables, la energía de las olas se encuentra distribuida de manera desigual en el globo terráqueo. Las zonas del mundo sujetas a vientos regulares son las que disponen de mayores potenciales energéticos que pueden extraerse de las olas. Así, la actividad de las olas se ve incrementada entre las latitudes de 30 y 60 en ambos hemisferios, inducidas por los vientos alisios predominantes que soplan en estas regiones. A continuación se muestran dos figuras con la distribución global del potencial de las olas en kw/m. ILUSTRACIÓN 5: POTENCIA EN KW POR METRO DE ANCHO DE OLA. 6
ILUSTRACIÓN 6: POTENCIA DE LAS OLAS KW/M. Otro aspecto que es muy importante destacar, es la variación del oleaje, ya que este afectará directamente al factor de planta. Según AES GENER, el factor de planta es la relación entre la energía real producida por una central generadora en un periodo dado, y la energía máxima que hubiera producido si se hubiera mantenido siempre a plena carga. Para energía undimotriz el factor de planta está entre 10 y 40%. Se cree que en Chile el factor de planta sería considerablemente mayor que en otros lugares debido a la poca variabilidad del oleaje a lo largo del año. Lo anterior se puede ver claramente en la siguiente figura. ILUSTRACIÓN 7: VARIABILIDAD DEL OLEAJE. En la figura anterior se puede ver que en las costas chilenas los valores están entre 60 y 100%. Lo anterior se traduce en que la altura mínima mensual corresponde a un porcentaje comprendido entre 60 y 100, de la altura anual. 7
DESARROLLO ACTUAL Pelamis El Pelamis es una estructura semi sumergida y articulada compuesta por secciones unidas por juntas de bisagra. El movimiento de estas juntas es resistido por arietes hidráulicos, que bombean aceite a alta presión a través de los motores hidráulicos. Estos motores hacen que los generadores produzcan electricidad. Se pueden conectar varios dispositivos juntos y unidos a la costa a través de un solo cable que va por el fondo marino. La estructura se mantiene en posición por un sistema de anclaje compuesto por una combinación de flotantes y pesas, que previene que los cables de anclaje estén tirantes al mantener el Pelamis en su posición, y que además permiten un movimiento de vaivén con las olas entrantes. El prototipo, a escala completa, de 750 kw, tiene un largo de 120 m y un diámetro de 3.5 m y contiene tres módulos de conversión de energía, de 250 kw cada uno. Cada módulo contiene un sistema completo de generación de energía hidroeléctrica. El Pelamis es construido por Ocean Power Delivery que recientemente anunció la firma por una orden con un consorcio portugués, dirigido por Enersis, para fabricar la fase inicial de la primera granja de olas comercial en todo el mundo. La fase inicial consistirá en tres máquinas Pelamis P-750 ubicadas a 5 km de la costa portuguesa, cerca de Póvoa de Varin. El proyecto de 8 millones de euros tendrá una capacidad instalada de 2.25 MW, y se espera que podrá suplir las necesidades eléctricas de 1500 hogares. A continuación se muestran imágenes del dispositivo. ILUSTRACIÓN 8: PELAMIS. 8
Weptos El sistema de generación Weptos está constituido de un número de rotores (menor a 20) asimétricos que se mueven independientemente. Los rotores están conectados a un solo eje que acciona un generador. Todos los rotores utilizan el mismo eje, haciendo que el movimiento giratorio del generador sea ininterrumpido. En condiciones normales de funcionamiento, la velocidad de giro del eje es aproximadamente de 20 a 40 rpm. La amplitud del sistema es flexible, de modo que la capacidad se optimiza en todas las condiciones. El dispositivo cambia el ángulo según las condiciones del oleaje. La empresa danesa Weptos, encargada de desarrollar el dispositivo, realizó pruebas de un modelo a escala 1:1 en un tanque de oleaje de la universidad de Cantabria. A continuación se muestran imágenes del dispositivo. ILUSTRACIÓN 9: WEPTOS. En la serie e imágenes anteriores pueden verse el modelo físico que se realizó en España, un esquema de como el dispositivo se adapta al ángulo de procedencia del oleaje, una imagen de cómo se vería Weptos funcionando, y por último una figura del sistema de generación en sí. 9
Oyster Aprovechando las olas cercanas a la costa, el Oyster consiste en un plano articulado fijo conectado con el fondo marino cerca de la costa, desde donde envía agua a alta presión a una turbina en tierra para la generación de energía. El sistema fue desarrollado por la compañía escocesa Aquamarine Power. Diseñado para operar de 10 a 12 m de profundidad, el Oyster aprovecha la energía de las olas del mar cerca de la costa. Consiste en un marco conector de energía (Power conector Frame, PCF) y una unidad de captura de energía (Power capture unit, PCU). El PCF de 36 toneladas se atornilla en el lecho marino a través de pilotes de hormigón. El PCU es una aleta flotante (de 200 toneladas, y que mide 18x12x4 metros), que está articulada a la PCF. La PCU se balancea hacia adelante y hacia atrás con el movimiento de las olas, y este movimiento impulsa dos pistones hidráulicos que bombean agua a alta presión a través de tres oleoductos submarinos a una turbina hidroeléctrica en tierra. Esta turbina mueve a su vez un generador eléctrico, que convierte la energía de las olas en electricidad. Actualmente, Oyster genera 64 GW alrededor del mundo. Hay una variante llamda BioWave que tiene un generador bajo el agua, por lo que no impulsa agua hasta la línea de costa. A continuación se muestran una serie de imágenes del dispositivo, y con los lugares donde este produce energía. ILUSTRACIÓN 10: OYSTER. 10
Wave Dragon Amarrado al fondo y con un peso de 237 toneladas, el Wave Dragon recupera la energía producida por las olas que lo sumergen. En un primer momento, el agua se almacena en un depósito y seguidamente se hace circular a través de unas turbinas que producen electricidad. Esta tecnología es competitiva con respecto a las centrales hidroeléctricas clásicas. ILUSTRACIÓN 11: WAVE DRAGON. En la imagen de la izquierda se puede apreciar el funcionamiento del dispositivo Wave Dragon, y en la derecha se tiene una vista del dispositivo en funcionamiento. Wilefko Wilefko es un proyecto undimotriz que generará energía eléctrica limpia mediante la extracción de energía cinética de las olas marinas en rompiente. El dispositivo utiliza las olas de rompiente, que al deformarse incorporan un desplazamiento horizontal, es decir, una pared de agua con una velocidad de 30 km/hr y 800 veces más densa que el aire. Dado que el equipo se ubicará en el borde costero, los costos de mantención son menores por que no se requerirá de barcos para realizar las mantenciones. Wilefko permite guardar la energía generada por las olas, almacenando aire comprimido, lo que permite dosificar la entrega de energía, controlando el factor de planta. ILUSTRACIÓN 12: WILENKO. 11
Pelícano El dispositivo entrega una potencia máxima de 5 MW, consta de un captador y de un sistema de conversión de energía. Las características de Pelicano son un sistema flotante modular, no posee elementos móviles externos, y el conversor de energía se encuentra dentro del dispositivo. Debido a las proporciones y forma del captador es posible lograr una estructura de alta resistencia con poca estructura metálica; además el captador posee una alta sensibilidad a la acción de las olas, pero con una gran capacidad para recuperar su estabilidad. Una de las ventajas es que funciona mediante un sistema pendular, al cual se le puede modificar la frecuencia dependiendo del lugar donde se va a instalar. Debido a su forma es fácil de arrastrar por embarcaciones, y además solo una pequeña parte queda a la vista sobre la superficie libre del agua. ILUSTRACIÓN 13: PELICANO. 12
DESARROLLO ENERGÍA UNDIMOTRIZ EN CHILE Para entender mejor el desarrollo de la energía undimotriz en Chile es necesario entender el contexto en el que aparece. En 1998, producto de una sequía, Chile sufre una gran crisis energética provocando apagones programados para poder satisfacer la demanda. La respuesta a esto fue la rápida construcción de centrales a gas natural, apoyadas por la importación desde Argentina, pero debido al corte de gas desde el país vecino, en 2008 se desencadenó una crisis estructural seria. Desde entonces se ha debido enfrentar el reto de cómo garantizar la seguridad energética. Las proyecciones estiman que para mantener el crecimiento económico, se debe aumentar la capacidad instalada en 8 GW para 2020. En 2008 se aprueba la ley que exige que para 2024, al menos el 10% de la energía distribuida provenga de ERNC (para el SIC y el SING) lo que generó mucho interés en la instalación de ERNC. En 2009, a partir de un estudio encargado por el BID, Chile se comprometió a avanzar en el desarrollo de energía marina. La estimación de este estudio indica que existe un potencial de entre 500 a 800 MW que puede ser explotado en el canal de Chacao (SIC). El año 2014 CORFO llamo a licitación internacional a grupos de investigación para desarrollar la energía marina en Chile. La empresa que se adjudicó la licitación, donde CORFO entregará US $20.000.000, fue DCNS junto a Enel Green Power Chile. Donde se espera que de aquí a 10 años se generen desarrollos comerciales. Este centro de excelencia se comenzará a construir a mediados de este año con instalaciones en Santiago, Las Cruces (PUC) y en las regiones de los Lagos y los Ríos (U.Austral). 13