Energía mareomotriz

Ajustar Compartir Imprimir Citar

La Energía mareomotriz o la energía de las mareas se aprovecha convirtiendo la energía de las mareas en formas útiles de energía, principalmente electricidad utilizando varios métodos.

Aunque todavía no se usa ampliamente, la energía de las mareas tiene potencial para la generación de electricidad en el futuro. Las mareas son más predecibles que el viento y el sol. Entre las fuentes de energía renovable, la energía mareomotriz ha sufrido tradicionalmente un costo relativamente alto y una disponibilidad limitada de sitios con rangos de marea o velocidades de flujo suficientemente altos, lo que restringe su disponibilidad total. Sin embargo, muchos avances y mejoras tecnológicas recientes, tanto en el diseño (p. ej., energía mareomotriz dinámica, lagunas de marea) como en la tecnología de turbinas (p. ej., nuevas turbinas axiales, turbinas de flujo cruzado), indican que la disponibilidad total de energía mareomotriz puede ser mucho mayor de lo que se suponía anteriormente. y que los costos económicos y ambientales pueden reducirse a niveles competitivos.

Históricamente, los molinos de mareas se han utilizado tanto en Europa como en la costa atlántica de América del Norte. El agua entrante se contenía en grandes estanques de almacenamiento y, cuando baja la marea, hace girar ruedas hidráulicas que utilizan la fuerza mecánica para moler el grano. Los primeros casos datan de la Edad Media, o incluso de la época romana. El proceso de usar agua que cae y turbinas giratorias para generar electricidad se introdujo en los EE. UU. y Europa en el siglo XIX.

La generación de electricidad a partir de tecnologías marinas aumentó aproximadamente un 16 % en 2018 y un 13 % en 2019. Se necesitan políticas que promuevan la I+D para lograr mayores reducciones de costos y un desarrollo a gran escala. La primera central eléctrica mareomotriz a gran escala del mundo fue la central eléctrica mareomotriz Rance de Francia, que entró en funcionamiento en 1966. Fue la central eléctrica mareomotriz más grande en términos de producción hasta que se inauguró la central eléctrica mareomotriz del lago Sihwa en Corea del Sur en agosto de 2011. La central eléctrica de Sihwa utiliza barreras de defensa del malecón completas con 10 turbinas que generan 254 MW.

Principio

La energía de las mareas se toma de las mareas oceánicas de la Tierra. Las fuerzas de marea son el resultado de variaciones periódicas en la atracción gravitacional ejercida por los cuerpos celestes. Estas fuerzas crean movimientos o corrientes correspondientes en los océanos del mundo. Esto da como resultado cambios periódicos en los niveles del mar, que varían a medida que la Tierra gira. Estos cambios son muy regulares y predecibles, debido al patrón constante de rotación de la Tierra y la órbita de la Luna alrededor de la Tierra. La magnitud y las variaciones de este movimiento reflejan las posiciones cambiantes de la Luna y el Sol en relación con la Tierra, los efectos de la rotación de la Tierra y la geografía local del lecho marino y las costas.

La energía mareomotriz es la única tecnología que aprovecha la energía inherente a las características orbitales del sistema Tierra-Luna y, en menor medida, del sistema Tierra-Sol. Otras energías naturales explotadas por la tecnología humana se originan directa o indirectamente en el Sol, incluidos los combustibles fósiles, la energía hidroeléctrica convencional, el viento, los biocombustibles, las olas y la energía solar. La energía nuclear utiliza los depósitos minerales de la Tierra de elementos fisionables, mientras que la energía geotérmica utiliza el calor interno de la Tierra, que proviene de una combinación de calor residual de la acumulación planetaria (alrededor del 20 %) y el calor producido a través de la desintegración radiactiva (80 %).

Un generador de mareas convierte la energía de los flujos de las mareas en electricidad. Una mayor variación de las mareas y mayores velocidades de las corrientes de las mareas pueden aumentar drásticamente el potencial de un sitio para la generación de electricidad de las mareas.

Debido a que las mareas de la Tierra se deben en última instancia a la interacción gravitacional con la Luna y el Sol y la rotación de la Tierra, la energía de las mareas es prácticamente inagotable y, por lo tanto, se clasifica como un recurso de energía renovable. El movimiento de las mareas provoca una pérdida de energía mecánica en el sistema Tierra-Luna: esto resulta del bombeo de agua a través de las restricciones naturales alrededor de las costas y la consiguiente disipación viscosa en el lecho marino y en la turbulencia. Esta pérdida de energía ha provocado que la rotación de la Tierra se haya ralentizado en los 4500 millones de años transcurridos desde su formación. Durante los últimos 620 millones de años el período de rotación de la Tierra (duración de un día) ha aumentado de 21,9 horas a 24 horas;en este período el sistema Tierra-Luna ha perdido el 17% de su energía de rotación. Si bien la energía de las mareas tomará energía adicional del sistema, el efecto es insignificante y no se notará en el futuro previsible.

Métodos

La energía mareomotriz se puede clasificar en cuatro métodos de generación:

Generador de corrientes de marea

Los generadores de corrientes de marea utilizan la energía cinética del agua en movimiento para impulsar turbinas, de manera similar a las turbinas eólicas que utilizan el viento para impulsar turbinas. Algunos generadores de mareas pueden integrarse en las estructuras de los puentes existentes o sumergirse por completo, lo que evita preocupaciones por la estética o el impacto visual. Las constricciones de la tierra, como estrechos o ensenadas, pueden crear altas velocidades en sitios específicos, que pueden capturarse mediante turbinas. Estas turbinas pueden ser horizontales, verticales, abiertas o con conductos.

La energía de la corriente se puede utilizar a un ritmo mucho mayor que el de las turbinas eólicas debido a que el agua es más densa que el aire. Usando una tecnología similar a las turbinas eólicas, la conversión de la energía de las mareas es mucho más eficiente. Una corriente de marea oceánica cercana a 10 mph (4,5 m/s; 8,7 nudos; 16 km/h) tendría una salida de energía igual o mayor que una velocidad del viento de 90 mph (40 m/s; 78 nudos; 140 km/h) para el mismo tamaño del sistema de turbina.

Aluvión de mareas

Los diques de marea utilizan energía potencial en la diferencia de altura (o carga hidráulica) entre mareas altas y bajas. Cuando se utilizan presas de marea para generar energía, la energía potencial de una marea se aprovecha mediante la ubicación estratégica de presas especializadas. Cuando sube el nivel del mar y comienza a subir la marea, el aumento temporal de la energía de las mareas se canaliza hacia una gran cuenca detrás de la presa, que contiene una gran cantidad de energía potencial. Con la marea que retrocede, esta energía se convierte en energía mecánica a medida que el agua se libera a través de grandes turbinas que crean energía eléctrica mediante el uso de generadores. Las presas son esencialmente represas en todo el ancho de un estuario de marea.

Energía mareomotriz dinámica

La energía mareomotriz dinámica (o DTP) es una tecnología teórica que explotaría una interacción entre las energías potencial y cinética en los flujos de las mareas. Propone que se construyan presas muy largas (por ejemplo: de 30 a 50 km de longitud) desde las costas directamente hacia el mar o el océano, sin cercar un área. Las diferencias de fase de marea se introducen a lo largo de la presa, lo que lleva a una diferencia significativa en el nivel del agua en los mares costeros poco profundos, con fuertes corrientes de marea oscilantes paralelas a la costa, como las que se encuentran en el Reino Unido, China y Corea. Las mareas inducidas (TDP) podrían extender la viabilidad geográfica de un nuevo concepto hidroatmosférico 'LPD' (tambor de pulso lunar) descubierto por un innovador de Devon en el que un 'pistón de agua' de marea empuja o tira de un chorro de aire medido hacia un aire giratorio. -actuador y generador.

Laguna de marea

Una nueva opción de diseño de energía de las mareas es construir muros de contención circulares integrados con turbinas que puedan capturar la energía potencial de las mareas. Los embalses creados son similares a los de las presas de marea, excepto que la ubicación es artificial y no contiene un ecosistema preexistente. Las lagunas también pueden ser en formato doble (o triple) sin bombeo o con bombeoeso aplanará la potencia de salida. La energía de bombeo podría ser proporcionada por el exceso de energía renovable de la demanda de la red, por ejemplo, de turbinas eólicas o paneles solares fotovoltaicos. El exceso de energía renovable, en lugar de reducirse, podría usarse y almacenarse para un período de tiempo posterior. Las lagunas de marea dispersas geográficamente con un retraso de tiempo entre la producción máxima también aplanarían la producción máxima proporcionando una producción cercana a la carga base a un costo más alto que otras alternativas, como el almacenamiento de energía renovable de calefacción urbana. La cancelada Tidal Lagoon Swansea Bay en Gales, Reino Unido, habría sido la primera central eléctrica mareomotriz de este tipo una vez construida.

Estudios estadounidenses y canadienses en el siglo XX

El primer estudio de plantas de energía mareomotriz a gran escala fue realizado por la Comisión Federal de Energía de EE. UU. en 1924. Si se hubieran construido, las plantas de energía se habrían ubicado en la zona fronteriza norte del estado estadounidense de Maine y en la zona fronteriza sureste de la provincia canadiense de New Brunswick, con varias represas, centrales eléctricas y esclusas de barcos que encierran la Bahía de Fundy y la Bahía de Passamaquoddy (nota: vea el mapa en la referencia). No resultó nada del estudio, y se desconoce si la Comisión Federal de Energía de los EE. UU. se acercó a Canadá acerca del estudio.

En 1956, la empresa de servicios públicos Nova Scotia Light and Power of Halifax encargó un par de estudios sobre la viabilidad comercial del desarrollo de energía mareomotriz en el lado de Nueva Escocia de la Bahía de Fundy. Los dos estudios, realizados por Stone & Webster de Boston y por Montreal Engineering Company de Montreal, concluyeron de forma independiente que se podrían aprovechar millones de caballos de fuerza (es decir, gigavatios) de Fundy pero que los costos de desarrollo serían comercialmente prohibitivos.

También hubo un informe sobre la comisión internacional en abril de 1961 titulado "Investigación del proyecto internacional de energía mareomotriz Passamaquoddy" elaborado por los gobiernos federal de Estados Unidos y Canadá. De acuerdo con la relación costo-beneficio, el proyecto fue beneficioso para EE. UU. pero no para Canadá. También se previó un sistema de carreteras a lo largo de la parte superior de las presas.

Los gobiernos de Canadá, Nueva Escocia y Nuevo Brunswick encargaron un estudio (Reevaluación de la energía de las mareas de Fundy) para determinar el potencial de presas de mareas en la bahía de Chignecto y la cuenca de Minas, al final del estuario de la bahía de Fundy. Se determinó que tres sitios eran financieramente viables: Shepody Bay (1550 MW), Cumberland Basin (1085 MW) y Cobequid Bay (3800 MW). Estos nunca se construyeron a pesar de su aparente viabilidad en 1977.

Estudios estadounidenses en el siglo XXI

El Snohomish PUD, un distrito de servicios públicos ubicado principalmente en el condado de Snohomish, estado de Washington, comenzó un proyecto de energía mareomotriz en 2007. En abril de 2009, el PUD seleccionó OpenHydro,una empresa con sede en Irlanda, para desarrollar turbinas y equipos para su eventual instalación. El proyecto, tal como se diseñó inicialmente, consistía en colocar equipos de generación en áreas de alto flujo de marea y operar esos equipos durante cuatro a cinco años. Después del período de prueba, el equipo sería retirado. El proyecto se presupuestó inicialmente a un costo total de $10 millones, con la mitad de esa financiación provista por el PUD de fondos de reserva de servicios públicos y la mitad de subvenciones, principalmente del gobierno federal de EE. UU. El PUD pagó parte de este proyecto con las reservas y recibió una subvención de $900.000 en 2009 y una subvención de $3,5 millones en 2010, además de utilizar las reservas para pagar costos estimados en $4 millones. En 2010, el presupuesto estimado se incrementó a $ 20 millones, la mitad a cargo de la empresa de servicios públicos, la otra mitad por parte del gobierno federal. La empresa de servicios públicos no pudo controlar los costos de este proyecto y, para octubre de 2014, los costos se habían disparado a un estimado de $38 millones y se proyectaba que continuarían aumentando. El PUD propuso que el gobierno federal proporcione $ 10 millones adicionales para este mayor costo, citando un acuerdo de caballeros.Cuando el gobierno federal se negó a pagar esto, el PUD canceló el proyecto después de gastar casi $10 millones de reservas y subvenciones. El PUD abandonó toda la exploración de energía de las mareas después de que se canceló este proyecto y no posee ni opera ninguna fuente de energía de las mareas.

Central mareomotriz de Rance en Francia

En 1966, Électricité de France inauguró la Central Mareomotriz Rance, ubicada en el estuario del río Rance en Bretaña. Fue la primera central eléctrica mareomotriz del mundo. La planta fue durante 45 años la central eléctrica mareomotriz más grande del mundo por capacidad instalada: sus 24 turbinas alcanzan una potencia máxima de 240 megavatios (MW) y un promedio de 57 MW, un factor de capacidad de aproximadamente el 24%.

Desarrollo de la energía mareomotriz en el Reino Unido

La primera instalación de prueba de energía marina del mundo se estableció en 2003 para iniciar el desarrollo de la industria de energía undimotriz y mareomotriz en el Reino Unido. Con sede en Orkney, Escocia, el Centro Europeo de Energía Marina (EMEC) ha respaldado el despliegue de más dispositivos de energía undimotriz y mareomotriz que en cualquier otro lugar del mundo. EMEC ofrece una variedad de sitios de prueba en condiciones reales del mar. Su sitio de prueba de mareas conectado a la red está ubicado en Fall of Warness, frente a la isla de Eday, en un canal estrecho que concentra la marea a medida que fluye entre el Océano Atlántico y el Mar del Norte. Esta área tiene una corriente de marea muy fuerte, que puede viajar hasta 4 m / s (8,9 mph; 7,8 nudos; 14 km / h) en mareas vivas. Los desarrolladores de energía mareomotriz que han probado en el sitio incluyen: Alstom (anteriormente Tidal Generation Ltd); ANDRITZ HYDRO Hammerfest; Corporación de Recursos Atlantis; nautricidad; OpenHydro; energía mareomotriz de Scotrenewables; Voith.El recurso podría ser de 4 TJ por año. En otras partes del Reino Unido, se puede extraer una energía anual de 50 TWh si se instala una capacidad de 25 GW con palas pivotantes.

Esquemas actuales y futuros de energía de las mareas

Problemas y desafíos

Preocupaciones ambientales

La energía de las mareas puede afectar la vida marina. Las aspas giratorias de las turbinas pueden matar accidentalmente a la vida marina que nada. Proyectos como el de Strangford incluyen un mecanismo de seguridad que apaga la turbina cuando se acercan animales marinos. Sin embargo, esta característica provoca una gran pérdida de energía debido a la cantidad de vida marina que pasa a través de las turbinas. Algunos peces pueden evitar el área si se ven amenazados por un objeto ruidoso o que gira constantemente. La vida marina es un factor muy importante cuando se ubican generadores de energía mareomotriz, y se toman precauciones para garantizar que la menor cantidad posible de animales marinos se vean afectados por ella. La base de datos Tethys brinda acceso a literatura científica e información general sobre los posibles efectos ambientales de la energía de las mareas.En términos de potencial de calentamiento global (es decir, huella de carbono), el impacto de las tecnologías de generación de energía mareomotriz oscila entre 15 y 37 gCO 2 -eq/kWhe, con un valor medio de 23,8 gCO 2 -eq/kWhe. Esto está en línea con el impacto de otras energías renovables como la eólica y la solar, y significativamente mejor que las tecnologías basadas en combustibles fósiles.

Turbinas de marea

La principal preocupación ambiental con la energía de las mareas está asociada con el golpe de las palas y el enredo de organismos marinos, ya que el agua a alta velocidad aumenta el riesgo de que los organismos sean empujados cerca o a través de estos dispositivos. Al igual que con todas las energías renovables en alta mar, también existe la preocupación de cómo la creación de campos electromagnéticos y salidas acústicas pueden afectar a los organismos marinos. Debido a que estos dispositivos están en el agua, la salida acústica puede ser mayor que la creada con energía eólica marina. Según la frecuencia y la amplitud del sonido generado por los dispositivos de energía de las mareas, esta salida acústica puede tener diversos efectos en los mamíferos marinos (particularmente en aquellos que se ecolocalizan para comunicarse y navegar en el entorno marino, como los delfines y las ballenas).Dependiendo del tamaño del proyecto, estos efectos pueden variar desde pequeños rastros de sedimentos que se acumulan cerca del dispositivo de marea hasta afectar gravemente los ecosistemas y procesos cercanos a la costa.

Aluvión de mareas

La instalación de una presa puede cambiar la línea de costa dentro de la bahía o el estuario, afectando un gran ecosistema que depende de las planicies de marea. Al inhibir el flujo de agua dentro y fuera de la bahía, también puede haber menos lavado de la bahía o el estuario, lo que causa turbidez adicional (sólidos en suspensión) y menos agua salada, lo que puede provocar la muerte de los peces que actúan como fuente vital de alimento. a aves y mamíferos. Es posible que los peces migratorios tampoco puedan acceder a los arroyos de reproducción y pueden intentar pasar a través de las turbinas. Las mismas preocupaciones acústicas se aplican a las presas de marea. La disminución de la accesibilidad de los envíos puede convertirse en un problema socioeconómico, aunque se pueden agregar bloqueos para permitir el paso lento. Sin embargo, el bombardeo puede mejorar la economía local al aumentar el acceso a la tierra como puente. Las aguas más tranquilas también pueden permitir una mejor recreación en la bahía o el estuario.En agosto de 2004, una ballena jorobada nadó a través de la compuerta abierta de la estación generadora real de Annapolis con la marea baja y terminó atrapada durante varios días antes de encontrar finalmente la salida a la cuenca de Annapolis.

Laguna de marea

Desde el punto de vista ambiental, las principales preocupaciones son el impacto de las palas en los peces que intentan ingresar a la laguna, la salida acústica de las turbinas y los cambios en los procesos de sedimentación. Sin embargo, todos estos efectos son localizados y no afectan a todo el estuario o la bahía.

Corrosión

El agua salada provoca corrosión en las piezas metálicas. Puede ser difícil mantener los generadores de corriente de marea debido a su tamaño y profundidad en el agua. El uso de materiales resistentes a la corrosión como aceros inoxidables, aleaciones con alto contenido de níquel, aleaciones de cobre-níquel, aleaciones de níquel-cobre y titanio puede reducir en gran medida o eliminar el daño por corrosión.

Los fluidos mecánicos, como los lubricantes, pueden filtrarse, lo que puede ser dañino para la vida marina cercana. El mantenimiento adecuado puede minimizar la cantidad de productos químicos nocivos que pueden ingresar al medio ambiente.

Abordaje

Los eventos biológicos que suceden al colocar cualquier estructura en un área de altas corrientes de marea y alta productividad biológica en el océano asegurarán que la estructura se convierta en un sustrato ideal para el crecimiento de organismos marinos. En las referencias del Proyecto Tidal Current en Race Rocks en Columbia Británica, esto está documentado. Consulte también esta página y Los buzos del Lester Pearson College probaron varios materiales y revestimientos estructurales para ayudar a Clean Current a reducir las incrustaciones en la turbina y otras infraestructuras submarinas.

Costo

La energía de las mareas tiene un alto costo inicial, lo que puede ser una de las razones por las que no es una fuente popular de energía renovable. Los métodos para generar electricidad a partir de la energía de las mareas son una tecnología relativamente nueva. Se proyecta que la energía mareomotriz será comercialmente rentable en 2020 con mejor tecnología y escalas más grandes. Sin embargo, la energía de las mareas aún se encuentra en una etapa muy temprana del proceso de investigación y es posible que se reduzcan los costos en el futuro. La rentabilidad varía según el sitio de los generadores de mareas. Una indicación de rentabilidad es la relación de Gibrat, que es la longitud de la barrera en metros dividida por la producción anual de energía en kilovatios hora.

Como la energía de las mareas es confiable, se puede predecir razonablemente cuánto tiempo llevará pagar el alto costo inicial de estos generadores. Debido al éxito de un diseño muy simplificado, la turbina ortogonal ofrece ahorros de costos considerables. Como resultado, se reduce el período de producción de cada unidad generadora, se necesita un menor consumo de metal y la eficiencia técnica es mayor.

Vigilancia de la salud estructural

Los altos factores de carga resultantes del hecho de que el agua es 800 veces más densa que el aire, y la naturaleza predecible y confiable de las mareas en comparación con el viento, hacen que la energía mareomotriz sea particularmente atractiva para la generación de energía eléctrica. El monitoreo de condición es la clave para explotarlo de manera rentable.