Energía undimotriz (I)

Introducción

La energía undimotriz u olamotriz, como algunos la denominan, es la energía producida por el movimiento de las olas.

La obtención de energía a partir de las olas es de vieja data. Encontramos, por ejemplo, que en el siglo XIX el español Don José Barrufet patentó una máquina para el aprovechamiento de las olas a la que denominó "marmotor" (figura 1).

La máquina estaba formada por una serie de boyas que subían y bajaban con las olas, transmitiendo ese movimiento a unos generadores eléctricos. Aseguraba que el sistema era capaz de suministrar un mínimo de potencia de 0,36 kW.

Figura 1. Marmotor (Fuente [1])

La mayor parte de la contaminación ambiental es el producto de la quema generada por los combustibles fósiles, tanto por los vehículos como por los procesos industriales y la generación de energía eléctrica.

La energía undimotriz se circunscribe en las denominadas "energías verdes", "energías alternativas", "energías renovables", debido a su poco o ningún impacto ambiental. En este trabajo se hará una descripción de los aspectos más importantes de este tipo de energía.

Sistemas de conversión de energía undimotriz marina

Los dispositivos que permiten obtener energía eléctrica de las olas se pueden clasificar en dos grupos: fijos y flotantes.

• Dispositivos fijos.

Son los instalados a lo largo de la línea costera (en la rompiente de la ola) o fijados al lecho marino en aguas poco profundas. Algunas de sus ventajas sobre los dispositivos flotantes están básicamente en el mantenimiento. Una desventaja es la limitada cantidad de lugares para su instalación. Normalmente son estructuras grandes y pesadas. Ejemplo de estos equipos son:

Oscillating Water Column OWC (Columna oscilante de agua): Cuando la ola entra en la columna obliga al aire a pasar por la turbina e incrementa la presión dentro de la columna. Cuando la ola sale, el aire pasa nuevamente por la turbina y debido a la disminución de la presión de aire en el lado del mar de la turbina. Se observa que sin importar la dirección de la columna de aire, la turbina gira en el mismo sentido. (Figura 2).

Figura 2 (Fuente [2])

TAPCHAN (Tapered Channel Wave Power Device): Consiste en un embalse construido sobre un acantilado que es alimentado a través de un canal estrechado. Este estrechamiento genera un aumento de la amplitud de la ola al acercarse a la pared del acantilado. Las olas eventualmente se desbordan sobre las paredes del canal dentro del embalse. La energía cinética de la ola que se mueve se convierte en energía potencial cuando se almacena en el embalse. Cuando el agua se descarga a través de una turbina (Kaplan), se produce la generación de electricidad. (Figura 3).

Figura 3 (Fuente [3])

WAVE ROLLER: Consiste en una placa atada al fondo marino que oscila hacia adelante y atrás a través de una bisagra con el movimiento de las olas bajas.

La energía cinética producida se colecta con una bomba de pistón y puede ser convertida en electricidad mediante un generador unido al dispositivo o por un sistema hidráulico cerrado en combinación con un sistema de generador/turbina. Es un sistema modular (la capacidad de la planta depende de la conexión de una cantidad determinada de dispositivos o módulos). Por tanto, su capacidad puede ser aumentada gradualmente. (Figura 4).

Figura 4 (Fuente [4])

Sistema SDE: Utiliza el movimiento de las olas para la producción de presión hidráulica para, con una turbina generar electricidad. El sistema es optimizado según la velocidad envergadura, profundidad, altura y caída de la ola, además del flujo de retorno producido cuando la ola rompe. En la actualidad funciona un sistema en Israel con un promedio de potencia de 40 kW. (Figura 5).

Figura 5 (Fuente [5])

Sistema CETO: Consiste en un conjunto de boyas ancladas al fondo marino y sumergidas. El movimiento axial de la boya se convierte en un bombeo que succiona agua de mar, impulsándola a la costa y debido a la alta presión con que llega, se mueve una turbina Pelton para la generación de electricidad.

Actualmente se está perfeccionando el desarrollo del sistema, contemplándose la instalación de una granja submarina de boyas con CETO.

Otra opción que el sistema CETO presenta es la de almacenar en tierra agua marina a objeto de ser desalinizada para consumo humano. (Figura 6).

Figura 6 (Fuente [6])

Sistema SSG Wave Energy: Es un convertidor de la energía de las olas basado en el llenado de tres tanques, colocados uno sobre otro y que se llenan cuando la altura de las olas sobrepasa las paredes de los tanques. La energía potencial de esta agua almacenada es convertida en energía cinética al pasar por una turbina, para generar energía eléctrica. El uso de varios tanques mejora notablemente el rendimiento, cuando se compara, por ejemplo, con el TAPCHAN. Aun está en etapa de diseño. (Wave Energy). (Figura 7):

Figura 7 (Fuente[7])

ORECON (columna de agua oscilante con cámara de multiresonancia): El generador se encuentra solidario a un flotador, el cual está anclado al fondo marino. Posee una cámara en donde el agua sube y baja como consecuencia del movimiento de las olas.

Debido a un sistema de válvulas, se obliga al aire a pasar a través de una turbina siempre en el mismo sentido, obteniéndose energía eléctrica de ella.

Como el dispositivo no tiene partes móviles, es sumamente robusto frente a los embates marinos. En la actualidad se encuentra en etapa de desarrollo, esperándose que tan sólo una unidad sea capaz de producir alrededor de 1 MW. (Figura 8).

Figura 8 (Fuente [8])

• Dispositivos flotantes.

Los dispositivos de generación de energía eléctrica undimotriz de tipo flotante son sistemas que flotan en el océano cerca de la costa (offshore), sobre la superficie o sumergidos. Los dispositivos más comunes son;

Pelamis (Serpiente Marina): Es quizás, uno de los dispositivos más ampliamente exitoso y con un futuro brillante. Es una máquina semisumergida y modular de forma que los módulos están unidos con bisagras, cuyo movimiento es resistido por arietes que bombean aceite a alta presión a través de motores hidráulicos, acoplados a generadores eléctricos.

El prototipo tiene un largo de 120 m de largo y 3,50 m de diámetro, es capaz de generar una potencia de 750 kW con tres módulos generadores de 250 kW cada uno. La estructura se mantiene en posición por un sistema de anclaje al fondo marino. (Figura 9).

Figura 9 (Fuente [9])

Salter Duck (Pato de Salter): Es un sistema que rota con un movimiento de cabeceo a medida que pasa la ola, bombeando fluido hidráulico para activar un motor hidráulico acoplado a un generador eléctrico. Es un dispositivo muy eficiente.

Se montan alineados con la cresta de la ola. El dispositivo tiene la capacidad de convertir la energía cinética y potencial de la ola en energía mecánica, con lo que el nivel de absorción de energía es alto (teóricamente sobre el 90%). (Figura 10).

Figura 10 (Fuente[10])

Wave Dragon (Dragón de las olas): Es un dispositivo flotante grande. Es una construcción con un peso de unas 150 toneladas (más unas 87 toneladas de agua en los reservorios), de 250 metros de largo, con un par de aletas de unos 126 metros de largo que permite concentrar el agua de las olas incidentes sobre la estructura hacia una rampa, para ser almacenada a objeto de hacer girar una serie de turbinas acopladas a generadores energía eléctrica.

El agua se conserva a un nivel por encima de la superficie del mar, lo que permite usar la energía potencial para hacer girar las turbinas. (Figura 11).

Figura 11 (Fuente [11])

Archimedes Wave Swing (Oscilador de Olas de Arquímedes) AWS: El principio de funcionamiento del dispositivo se basa en el principio de Arquimedes para la generación de energía eléctrica (250 kW por unidad).

El aparato está formado por dos cilindros. El inferior fijado al fondo del mar y el superior que se mueve verticalmente según la incidencia de las olas.

En las paredes del cilindro superior están fijados unos imanes, que se desplazan con su movimiento, a lo largo de una bobina, para producir electricidad. El interior del AWS está lleno de aire y cuando se mueve hacia abajo lo presuriza, generando una reacción que hace que el mismo suba cuando la presión de la ola disminuye. El AWS está totalmente sumergido en el agua (40 a 100 metros) por lo que no utiliza la ola superficial para la generación de energía. En la actualidad se piensa en el montaje de un conjunto de unidades para generar 50 MW. (Figura 12).

Figura 12 (Fuente [12])

Dispositivos de boyas: Son quizás de los más comunes y fáciles de implementar. Básicamente consiste en una boya que sube y baja con la ola mientras una de sus partes se encuentra anclada, normalmente, al fondo del mar. Este movimiento vertical hace que se produzca la generación de energía eléctrica. Algunos de estos dispositivos se muestran en las figuras subsiguientes.

Power Buoy (Boya de Energía): La energía AC generada se convierte en DC de alta tensión y se envía a la costa a través de cables submarinos. La figura muestra el dispositivo denominado Power Buoy (Boya de Energía) de Ocean Power Technologies (OTP), año 2005.

Un flotador en forma de disco reacciona contra un cuerpo cilíndrico sumergido y terminado en su borde inferior por una placa horizontal amortiguadora grande cuya función es aumentar la inercia a través de la masa agregada de agua circundante. El movimiento relativo entre ambos cuerpos es convertido en energía eléctrica por medio de un PTO (Power Take-off mechanism (mecanismo de toma de potencia). (Figura 13).

Figura 13 (Fuente [13])

Searaser: El dispositivo aprovecha la energía de las olas en la costa para bombear agua tierra adentro, lo cual puede ser aprovechado para ser utilizada para pequeñas centrales hidráulicas para la generación de electricidad. El dispositivo no requiere ningún tipo de aporte de energía eléctrica exterior y utiliza la energía potencial, regresando al mar el agua. Los costos de mantenimiento son muy bajos. Las pruebas realizadas han obtenido elevaciones del agua de hasta 50 metros. Actualmente se trabaja para lograr alturas de 200 metros. Otra utilidad es la de usar el agua para su desalinización para consumo humano. La figura 1.17 muestra un esquema de uno de estos aparatos. (Figura 14).

Figura 14 (Fuente [14])

Se debe resaltar que estos no son los únicos dispositivos capaces de obtener energía de las olas. Existe una gran diversidad de modelos pero, básicamente pueden ser ubicados en alguna de las dos clasificaciones anteriores.

Conversión de energía electromecánica

La conversión de energía electromecánica relaciona el intercambio de energía entre un sistema eléctrico y uno mecánico (Figura 15).

El acoplamiento se realiza mediante un campo magnético. Este proceso es esencialmente reversible, excepto por una pequeña cantidad de pérdidas como calor.

Cuando se convierte energía mecánica en energía eléctrica, el dispositivo se denomina generador. Cuando es la energía eléctrica la convertida en energía mecánica, el dispositivo se denomina motor.

Establece que la potencia eléctrica producida es igual a la potencia mecánica producida.

Los generadores eléctricos y los motores eléctricos constituyen un grupo de máquinas denominadas Máquinas eléctricas.

Se dará mayor importancia en este trabajo a los generadores porque se desea obtener energía eléctrica a partir de las olas.

Figura 15

Máquinas eléctricas

En 1831 Michael Faraday (Científico inglés, 1791-1867) estableció con sus experimentos la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday: "La magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético".

Además, Heinrich Lenz (Físico alemán, 1804-1865) formuló en 1834 la Ley de Lenz: "La corriente debida a la fuerza electromotriz inducida (f.e.m.) se opone al cambio de flujo magnético, tal que la corriente tiende a mantener el flujo". Esto es válido para los casos que;

La intensidad del flujo varíe,

El cuerpo conductor se mueve respecto de él.

Matemáticamente se expresa como:

El valor negativo es debido a la Ley de Lenz e indica que e se opone a la variación del flujo que la produce.

En 1831, Faraday inventa el primer generador eléctrico denominado dínamo de disco de Faraday o dínamo de Faraday (Figura 16). El disco de cobre o inducido (D) rota entre los polos de un imán permanente en forma de herradura (campo magnético permanente) (A), induciendo un flujo radial de corriente en el disco.

Figura 16 (Fuente [15])

La corriente fluye por el resorte del contacto deslizante a lo largo del borde del disco, tornillo de unión con el eje del disco para la entrada o salida de la corriente (B), por un circuito externo, y de nuevo por el disco a través del eje, tornillo de unión para la entrada o salida de la corriente por la circunferencia del disco, mediante el contacto deslizante m (B").

Con el dínamo de disco de Faraday se generan enormes corrientes a muy bajo voltaje.

En 1832 el ingeniero francés Hippolyte Pixii (1808-1835) construye un generador de corriente alterna (dinamo), basado en el Principio de Inducción Magnética de Faraday. Consistía en un imán giratorio, operado con una manivela, donde los polos norte y sur pasan sobre una bobina con núcleo de hierro, (Figura 1.20). Un pulso de corriente se produce cada vez que un polo pasa sobre la bobina. (Figura 17).

Figura 17 (Fuente [15])

También descubrió que la dirección de la corriente cambia cada vez que los polos norte y sur pasan sobre la bobina, produciéndose así, una corriente alterna.

A grandes rasgos, las máquinas eléctricas (Figura 18) se pueden clasificar como:

Figura 18

Normalmente son máquinas rotativas pero, cada uno de esos tipos puede tener una representación lineal. La siguiente figura muestra el caso de máquinas eléctricas rotativas y una lineal. (Figura 19).

Figura 19 (Fuente [16])

Figura 20 (Fuente [17])

La Figura 20 muestra un generador lineal con estator externo (puede ser también interno) con las bobinas y un translador interno formado con imanes permanentes y con núcleo de hierro (puede ser también de aire). El estator puede tener el núcleo de hierro o ser de aire.

Dispositivos con boyas

Normalmente existe un dispositivo que convierte la energía de las olas en energía mecánica para luego, mediante un generador eléctrico, convertir esta energía mecánica en energía eléctrica; pudiendo usarse cualquiera de los tipos mostrados (rotativo o lineal).

Sin embargo, en el caso particular de los dispositivos que utilizan boyas para extraer la energía de las olas, suele usarse de preferencia los generadores lineales por su sencillez, entre otras razones, y porque el movimiento ascendente-descendente de las olas puede ser acoplado directamente al generador. En el caso del generador rotativo se hace necesario un sistema mecánico intermedio (PTO) para la transformación del movimiento de la ola en un movimiento rotativo.

La Figura 20 muestra un sistema que posee un generador rotativo, acoplado a un multiplicador para lograr las altas velocidades que necesita el mismo. El volante de inercia permite mantener la velocidad aproximadamente constante. El movimiento vertical del pistón es transformado en circular por el cigüeñal. Obsérvese las aletas en la parte inferior del tubo; permiten concentrar las olas hacia la boya.

Figura 20 (Fuente [18])

La Figura 21 muestra un generador lineal directamente acoplado a la boya.

Figura 21 (Fuente [19])

Con el movimiento de la ola, la boya se desplaza siguiéndola y a través de la línea arrastra el translador (equivalente al rotor de las máquinas rotativas) que normalmente está construido con imanes permanentes. La parte exterior del generador está formado con el devanado y es el estator, donde, de acuerdo a la Ley de Faraday, se inducen las tensiones aprovechables como generador. En la parte superior existen unos resortes que permiten proteger al sistema contra oleajes excesivos y en la parte inferior también se encuentran unos resortes que impiden el descenso brusco pero ayudando al translador en su movimiento descendente, con lo que no se deja al mismo a merced de la gravedad.

La boya en este caso es un cilindro plano, que garantiza que olas con alturas que tiendan a forzar el translador más allá de lo permitido por los resortes de tope, simplemente sea desbordada por tales olas, garantizando la integridad del sistema.

Convertidor undimotriz

Normalmente el proceso de conversión de energía de las olas es como sigue (Figura 22):

Figura 22

El sistema consiste en una boya acoplada a un generador lineal de imán permanente, de forma que el alternador (pistón o desplazador) se mueve respecto al estator que contiene el devanado trifásico.

Esta configuración genera voltajes y corrientes variables en amplitud y frecuencia así como también un cambio de fase cuando el generador se mueve en sentido contrario. Esto se debe al movimiento aleatorio de las olas.

Por consiguiente, se hace necesario el uso de un convertidor AC/DC trifásico (rectificador), lo que permite regular en cierta medida estas tensiones y corrientes variables.

Esta tensión rectificada será transmitida a tierra mediante un conductor eléctrico, cuyo calibre podrá evaluarse en función de corriente, tensión de trabajo y caída de tensión producto de la distancia a recorrer.

Una vez que el conductor eléctrico llega a tierra, la tensión DC es convertida en tensión AC, mediante un convertidor DC/AC (inversor) trifásico, para alimentar un transformador reductor trifásico para adecuarla a los niveles estándar. La transmisión se hará a una tensión adecuada de forma que permita corrientes muy bajas para producir así, pérdidas bajas en la impedancia del conductor.

El sistema podrá usarse de manera autónoma, para alimentar cargas locales (sin transformador), o ser incluido en un Sistema Interconectado (con transformador).

Debe observarse que el convertidor AC/DC y el DC/AC pueden estar ubicados cerca del sistema boya-generador, sumergidos o dentro de la cubierta protectora del generador.

Ventajas y desventajas de la energía undimotriz

Entre las principales ventajas tenemos:

• La energía de las olas es gratuita. No es necesario algún tipo de combustible, y no produce residuos. 

• No es caro de operar y mantener la energía de las olas.

• Puede producir una gran cantidad de energía.

• Mantenimiento escaso.

• Poco o ningún impacto ambiental.

Entre las desventajas tenemos:

• Por su carácter aleatorio, la cantidad de energía obtenida dependerá de los parámetros de la ola.

• Es necesario un lugar adecuado para utilizar la energía del oleaje, donde las olas son generalmente fuertes. 

• Algunos diseños son algo ruidosos.  De hecho, también lo son las olas, por lo que cualquier ruido es poco probable que sea un problema. 

• Debe ser capaz de soportar condiciones climáticas muy difíciles.

• Implementación con altas inversiones iniciales. 

Conclusiones

• La energía undimotriz es una energía limpia, renovable, muy silenciosa y de poco o ningún impacto ambiental y visual.

• La viabilidad económica presenta unas inversiones iniciales altas y periodos de amortización altos. La misma depende de los niveles de las tarifas eléctricas.

• La energía se obtiene de forma local, por lo que es autónoma y continua.

• A pesar de lo relativamente nuevo de este tipo de energía, su evolución avanza rápidamente con la aplicación de las nuevas tecnologías.

• La maquinaria necesaria para convertir el lento movimiento de las olas en electricidad es costosa e implica inversiones adicionales como la logística para su construcción, operación y mantenimiento.

Referencias bibliográficas

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[13] Ocean Power Technologies (OTP). 2005. En línea:

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Autor:

Ing. Felipe S. Vázquez D.

Instituto Universitario de Tecnología de Valencia. Venezuela