Energía Oceánica: Viento en popa ... (parte 1)

Dentro de las energías renovables probablemente la más desconocida y menos desarrollada en la actualidad sea la proveniente del mar y los océanos.

Este entorno, sin embargo, presenta las condiciones adecuadas para aportar cantidades ingentes de energía renovable, en muchas ocasiones incluso con mayor  potencial y estabilidad que las clásicas renovables (como la solar o la eólica que se desarrollan en el entorno terrestre).

Y es que las posibilidades energéticas son múltiples, y las opciones tecnológicas también muy diversas, con propuestas cada vez más avanzadas para hacer frente a un duro medio, el marino, que sin embargo tiene mucho que aportar.


Entre otras actualmente podemos encontrar las siguientes opciones:


La "clásica" energía del viento: 

El viento en alta mar es hasta un 40% más frecuente y regular que en la tierra, por lo que un parque eólico instalado en alta mar es mucho más eficiente y constante en la generación energética que uno instalado en tierra.

Si a ello unimos la posibilidad de mover y montar estructuras de mayores dimensiones, con geometrías más eficaces de pala y torres de menor altura, se deduce que la energía eólica marina permite mayores rendimientos en la producción, con aerogeneradores cuya potencia unitaria puede ser mucho mayor.

El problema principal es que la energía eólica marina, también conocida como energía eólica offshore, ha tenido que desarrollar sus propias técnicas y tecnologías para la implantación, transporte, montaje y operación de los parques, y estas son aún algo inmaduras, con grandes retos que resolver por delante.

Uno de los principales problemas es que la eólica offshore tiene todavía unos costes económicos muy elevados, con gastos de inversión y posterior explotación muy altos (un aerogenerador marino cuesta prácticamente el doble que uno terrestre actualmente), aspecto este muy importante a tener en cuenta.

Otro reto importante parece encontrarse en las profundidades marinas, estando actualmente los parques eólicos offshore en profundidades límite de 50 m de implantación, que es el límite batimétrico al que llegan actualmente las técnicas de cimentación comúnmente utilizadas. La cimentación es de hecho uno de los mayores costes, y está basada en el sistema de gravedad (utilizado para profundidades de hasta 5 m), el monopilotaje (el más habitual, para profundidades de hasta 25 m), o el sistema de trípode (que es el que consigue llegar a mayores profundidades).

Sin embargo, y frente a este problema, en el 2011 comenzaron ya a surgir alternativas a escala real a la cimentación original de los parques eólicos offshore mediante la utilización de estructuras flotantes que permiten llevar la energía eólica a alta mar con independencia de las profundidades que puedan darse. 

La alternativa que mayores opciones parece presentar actualmente es la de plataformas flotantes para una sola turbina, como la tecnología WindFloat (premiada como innovación tecnológica del año en 2011), que utiliza una plataforma triangular de tres columnas flotantes con un sistema de ajuste del agua de lastre que contienen las columnas, o la tecnología Hywind de la empresa Statoil, seleccionada por Siemens para sus parques eólicos offshore, que consiste en una especie de boya cilíndrica amarrada con cables y lastres de hasta 60 toneladas de peso, probada con éxito en los mares del norte desde 2009.

Fotos cortesía de:  1) WindFloat - Principle Power, Inc.   2)Hywind: Øyvind Hagen - Statoil ASA
También comienzan a tomar forma otros diseños e ideas sobre plataformas flotantes para sustentar turbinas, como la que propone la empresa IDEOL, con su Ideol Damping Pool (una piscina flotante de hormigón que permite amortiguar el movimiento del agua), o la que propone el Grupo GICON, con una plataforma flotante que probará a escala real en el Mar Báltico en 2014. 

Ante la advertencia de algunos expertos en relación la imposibilidad de montar aerogeneradores convencionales sobre plataformas flotantes, debido a los problemas de oscilación que produce el mar, aún con los avances producidos en los sistemas de estabilización, surgen otras interesantes alternativas.

Entre otras resulta interesante mencionar la patente AFT (Advanced Floated Turbine) de Nautica Windpower, testeada con éxito en modelos a escala en los Grandes Lagos, que propone un nuevo concepto no sólo para la plataforma sino también para la propia turbina, que es capaz de adaptarse incluso a vientos huracanados. 

También resulta interesante la turbina de eje vertical sobre estructura flotante desarrollada por la empresa francesa Nenuphar, una propuesta distinta a las turbinas convencionales, mejorando un antiguo invento patentado por Georges Darrieus en 1931. Esta turbina de eje vertical tiene ya un prototipo de 2 MW a punto de ponerse en marcha en el mar mediterráneo, y según sus propietarios es capaz de convertir en energía el viento con independencia de su dirección, a velocidades inferiores a las turbinas clásicas, con costes de implantación y mantenimiento mucho más económicos que otras alternativas offshore flotantes, y rendimientos bastante satisfactorios.

Además de los sistemas mono-turbina comentados, algunas empresas como Hexico, van más allá y plantean incluso la instalación de plataformas flotantes con múltiples aerogeneradores instalados en las mismas y capacidades de hasta 66MW, según su patente de diseño.

En cualquier caso, la energía eólica offshore se debe enfrentar aún a múltiples retos, entre los que se encuentran, además de los vistos, las duras condiciones meteorológicas del entorno marino, la ausencia de infraestructuras eléctricas marinas, que deben ser incluidas en los costes de implantación, y los costosos problemas de mantenimiento.

La energía eólica offshore se presenta así como una gran alternativa renovable y sostenible. Una energía joven que presenta múltiples alternativas y grandes retos que superar todavía, en la que la capacidad instalada mundial es ya actualmente de más de 5 GW, siendo la energía marina renovable con mayor presencia actualmente.

Aunque sigue siendo Europa la que acapara el 90% del total mundial instalado, parece que en los últimos dos años comienza a convencer esta alternativa en el resto del planeta y empieza a extenderse a otros países, experimentándose un crecimiento muy superior al de otras energía renovables más clásicas.

Para finalizar este apartado dedicado a "eolo", se debe mencionar la existencia de otra energía eólica aún no aprovechada pero que presenta una constante de generación en las zonas costeras: Las brisas. Estos vientos, de baja intensidad, se producen en las zonas costeras por las diferencias de temperatura entre la masa terrestre y la acuática, y podrían aprovecharse para la generación eléctrica. 

Sin embargo, sus bajas velocidades hacen que su aprovechamiento este aún en fase de diseño muy primario, consistente en la mayoría de los casos en turbinas eólicas dispuestas en tubos vénturi que procuran acelerar y concentrar las corrientes de aire en la sección más estrecha del tubo, justo donde se encuentra la turbina.

La "clásica" energía del sol: 

Aunque no se han llevado a cabo experiencias en el océano propiamente dichas, y no parece que por lo pronto este medio acuático sea tan propicio para esta tecnología como los cursos fluviales o, sobretodo, las presas y lagos tierra adentro, proyectos recientes han descubierto que la energía solar y el agua no tienen por qué estar reñidas, pudiendo ser incluso grandes socias.

El hecho es que si ubicásemos los paneles solares en la superficie del agua, se produciría una refrigeración constante y sostenida del panel, lo que según algunos estudios preliminares podría llegar a incrementar el rendimiento en la generación en hasta un 16%. Además su ubicación en el agua no ocupa terrenos y permite abaratar materiales, pues requiere mucha menos infraestructura, además de mejorar el mantenimiento.

Lo que hasta hace poco eran experimentos y diseños preliminares ya se está convirtiendo hoy en día en realidad, y de hecho ya se está empezando a construir la primera instalación de generación solar fotovoltaica flotante, concretamente en Calculta (India) en los lagos del Victoria Memorial Hall. Allí, la empresa australiana Sunengy junto con la compañía India TATA Power, están construyendo ya una instalación solar fotovoltaica basada en la tecnología patentada LSA (Liquid Solar Array), un concentrador solar fotovoltaico "clásico" en contacto con el agua que permite además proteger la lente sumergiéndola en el agua cuando hace mal tiempo.

No hará falta mucho tiempo para que alguna empresa comience también a sopesar el potencial del mar y los océanos para albergar este tipo de tecnología solar, e invente la tecnología que resuelva los problemas derivados del oleaje.

La energía de las mareas y las corrientes marinas: 

Las mareas son una fuerza de la naturaleza inexorable, que se produce por la interacción de las fuerzas gravitacionales de la Luna y el Sol sobre la Tierra, cuyo aprovechamiento hasta la actualidad es prácticamente testimonial a pesar de que, las estimaciones realizadas hasta el momento, hablan de posibilidades de generación de hasta 120 GW de energía totalmente renovable, predecible y estable.

El sistema ideado más antiguo es el de presas localizadas en estuarios para retener las mareas y generar energía eléctrica liberando el agua a través de canales provistos de turbinas. 

Existen contadas experiencias a gran escala como la llevada a cabo por Francia, en el río Rance (costa Atlántica), construida en 1966 con 240 MW instalados, la realizada en 1984 en Canadá, con una capacidad de 200 MW, o la recientemente puesta en marcha en Korea, en 2011, con el record de 254 MW de capacidad, además de otros ejemplos a inferior escala. 

Pero este modo de generación no parece tener mucha más proyección. Las obras que se precisan requieren de fuertes inversiones iniciales en infraestructuras y, a pesar de su carácter renovable y de haber sido sustituidas por lagunas artificiales de generación eléctrica, resultan en una tecnología cara y con un impacto importante sobre la fauna y la vegetación de la zona, así como sobre la configuración geomorfológica del estuario, desembocadura o accidente geográfico utilizado, aspecto este que hay que tener en cuenta.

Como alternativa, en los últimos años han surgido también innovadoras propuestas como los generadores axiales de energía TSG (Tidal Stream Generators) que hacen uso de la energía cinética que desarrollan las mareas al mover grandes masas de agua.

La tecnología ya tiene de hecho un escalado industrial desde abril de 2008,cuando se instaló en Strangford Narrows (Irlanda), el primer generador TSG de 1,2 MW de MTC, dentro de la Multinacional Siemens. Este equipo, denominado SeaGen-S, cuenta con dos rotores que pueden además girar 180º, por lo que es capaz de generar energía con corrientes de más de 2,4 m/s durante unas 18 a 20 horas al día. 

Fotografías originales cortesía de Marine Current Turbines

Esta misma energía cinética es la que se desarrolla en cualquier tipo de corriente marina, y no sólo en las mareas, por lo que estas mismas turbinas se podrían aplicar también con éxito a cualquier tipo de corriente generada entre masas de agua. 

Frente a las turbinas sumergidas con sistema de anclaje sobre el lecho marino de que dispone MTC-Siemens, comienzan a surgir propuestas similares, que aprovechan la mayor energía cinética de las corrientes en la superficie mediante estructuras flotantes.

Estas estructuras flotantes proporcionan una reducción de costes interesante en materia de infraestructuras, facilitan el trabajo en zonas de gran profundidad, y permiten la reubicación de la turbina en la corriente de una forma óptima, facilitando además su recuperación para realizar operaciones de mantenimiento. 

No obstante, el principal problema de estas propuestas tecnológicas sigue siendo su práctica incompatibilidad con el tráfico marítimo, lo que dificulta su aplicación a zonas geográficas, como los estrechos, caracterizadas por sus fuertes corrientes pero también por un denso tráfico.

En este punto surgen otras opciones tecnológicas que se implantan en el lecho marino. Estas alternativas, aunque generalmente con generaciones de energía eléctrica algo menores al ubicarse en las zonas más lentas de una corriente marina, presentan la ventaja de que no afectan al tráfico marítimo, por lo que no tienen un impacto destacable sobre las actividades de transporte que se suelen dar en muchas de estas zonas.

Entre otras, surgen interesantes alternativas como la que propone la empresa OpenHydro, premio Cleantech 2012, y una de las primeras empresas con turbinas submarinas en el mundo, que propone un diseño de turbina de centro abierto de hasta 6 metros de diámetro de rotor que aporta la ventaja de no precisar engrase, y que se asienta en el lecho marino mediante un soporte de unas 400 Tm de peso.

Probada por primera vez en el EMEC (Centro Europeo de Energía Marina), donde se instaló en 2006, la turbina Openhydro dispone ya de múltiples experiencias de funcionamiento tanto en dicho centro, donde funciona desde ese año, como en Nueva Escocia (Canadá), donde pudieron comprobar los efectos de corrientes marinas que mueven hasta 4 km3/h de agua, o Francia, donde disponen de una turbina de 2,2 MW instalada desde 2011, y varias de ellas en proyecto. 

Unidad de pruebas de la turbina OpenHydro instalada en el EMEC. Gentileza de NREL

Líder también en el mercado de las turbinas submarinas es la empresa norteamericana Verdant Power, que saltó a la "fama" en este campo al probar estas turbinas en el seno de las desembocaduras de ríos, con la instalación en 2006 de una turbina piloto en el East River de Nueva York, seguida por otra fase piloto en 2007 en el río St. Lawrence, en Ontario (Canada). Ambos proyectos con resultados muy satisfactorios y en fase de ampliación y pruebas comerciales actualmente, ya por la quinta generación de turbinas.

También entró con fuerza recientemente en este mercado de las turbinas submarinas la multinacional Alstom, que en enero de este año quiso dar el salto de la eólica offshore a la mareomotriz submarina, adquiriendo la empresa TGL (Tidal Generation Limited) propiedad de Rolls Royce. 

De hecho, ya en julio de este año confirmaba que su turbina de 1 MW alcanzaba su potencia nominal completa de generación en el campo de pruebas del EMEC.

Esta turbina de 150 Tm y un rotor con palas de 18 metros de diámetro, presenta además la propiedad de ser capaz de flotar, lo que optimiza su instalación y posterior recuperación para su mantenimiento, además de haber sido diseñada para que la góndola pueda girar en el eje vertical de forma que se adapte a la marea en un ángulo óptimo.

Otras empresas como el grupo austriaco Andritz, que prevé la instalación de su primer parque mereomotriz en Escocia en 2015, o la multinacional alemana Voith, también se apuntan a la creación de turbinas mareomotrices para la generación de energía a escala comercial en la que parece que es la alternativa tecnológica con mayor aceptación o difusión en el mercado.

Turbina propiedad de la empresa Andritz en pleno proceso de instalación.
Fotografía cortesía de OREC.

Pero existen además otras alternativas de diseño para la explotación de la energía cinética contenida en las mareas y corrientes marinas menos conocidas, que están actualmente en fase de desarrollo o aplicadas a menor escala, pero que es interesante conocer por las soluciones que aportan en contraposición a las clásicas turbinas de eje horizontal. Dichas alternativas pasan por diseños tan originales como:
Las Turbinas Vénturi: heredadas de las primeras experiencias con turbinas eólicas diseñadas precisamente para aprovechar velocidades de viento bajas, las turbinas vénturi marinas consisten en unas turbinas montadas en tubos o canales venturi que concentran la corriente en un punto con menor diámetro, donde se encuentra la turbina, permitiendo así el aprovechamiento de corrientes marinas en zonas de baja intensidad. 
Lunar Energy es una de las abanderadas de este tipo de turbinas con su Rotech Tidal Turbine (RTT), aportando novedades como el montaje independiente de la turbina sobre el tubo vénturi y la simplicidad de su diseño de palas, que permiten un uso bidireccional sin necesidad de orientar la turbina y facilita su mantenimiento. Con esta solución se encuentra de hecho en la actualidad en fase de construcción de un mega-parque en Korea de 300 MW con un valor total de contrato cercano a los 590 millones de euros. 

Las Hidroturbinas de Eje Vertical: basadas en los antiguos modelos eólicos vistos en anteriores apartados, las turbinas de eje vertical disponen de palas especialmente diseñadas para rotar a velocidades de corriente muy bajas y en varias direcciones, por lo que a pesar de presentar un rendimiento inferior, tienen un mayor rango de aprovechamiento de la corriente que las de eje horizontal.

Todas las soluciones vistas hasta el momento basada en turbinas, presentan un problema importante de turbulencias generadas en el agua que tienen que tenerse en consideración a la hora de montar el parque mareomotriz. Por ejemplo, estas turbulencias, que pueden llegar hasta el 30% de amplitud, obligan a mantener una considerable separación entre los generadores para evitar interferencias. 

Este problema podría quedar solventado por otras soluciones aún más originales que escapan del uso de las turbinas y proponen otros medios como:
Los tornillos de Arquímedes: propuestos por  la empresa Flumill, y basados en el movimiento que las mareas pueden producir sobre unas estructuras con forma de tornillo de arquímedes. 
Estos tornillos sinfín de 2 MW presentan la ventaja de proponer estructuras marinas con un impacto mucho menor, una turbulencia muy inferior (lo que permite un diseño más compacto y aprovechado de los parques) y un coste mucho más reducido que el habitual de las tecnologías mareomotrices, al no requerir de grandes infraestructuras para su montaje. La tecnología está siendo muy bien recibida por las inversores, y está previsto que entre el 2014 y el 2015 exista ya un parque generador en activo en el Reino Unido.
Tornillos de Flumill, Foto cortesía de OREC.

Los hidroplanos oscilantes: otra interesante solución que aprovecha la oscilación generada en un plano libre con el paso de la marea, aprovechando dicho movimiento mediante una palanca que acciona un sistema hidráulico al que se transfiere la energía de la oscilación. 

En este sistema la empresa Pulse Tidal es la principal representante, con un modelo de 1,2 MW ya a escala comercial que se probará a lo largo del año 2014 en Lynmouth.

El futuro en este apartado de la tecnología nos deparará, seguramente, nuevas versiones de generadores, con potencias ya en desarrollo de hasta 3 MW, así como alternativas combinadas, aún en estudio, que aprovechen la energía dinámica de las mareas al completo, alternativas tecnológicas que permitan el aprovechamiento de las corrientes marinas a mayores profundidades con necesidades de mantenimiento menores, equipos que soporten mejor la increíble fuerza que desarrollan muchas mareas en el océano, o que saquen el mayor partido a las corrientes de agua con menores velocidades.

Las previsiones para la energía proveniente de las corrientes marinas son esperanzadoras, siendo uno de los sectores con mayor previsión de crecimiento en energías renovables marinas a partir de 2014, y estando previsto que para el año 2017 existan ya un total de 2,4 GW de energía mareomotriz instalados en todo el mundo, encabezados por Reino Unido, Korea y Canada.


Continuará....



Referencias recomendadas:

En temas de Eólica Offshore.
En temas de Energía mareomotriz:
En otros temas relacionados:

Comentarios

Entradas populares de este blog

Ser ECO-Fashion esta de MODA.

Nuevas salidas para el Glicerol

Luchando contra molinos de viento.