lunes, 12 de octubre de 2020

TODO SOBRE LA ENERGIA MAREOMOTRIZ

 Introducción

La energía solar que incide anualmente sobre la superficie terrestre es del orden de 6.1014 MW hora. 

Los océanos, con una superficie de 361 millones de km2 y un volumen de 1370 km3, actúan como siste-  mas colectores y de almacenamiento, lo cual se manifiesta de diversas formas, olas (energía eólica), y gradientes térmicos, gradientes salinos y corrientes marinas, (energía solar maremotérmica). Las más estudiadas son las debidas a las mareas, olas y térmica marina, estando las de las corrientes y  gradien- tes salinos mucho menos desarrolladas. 

A estas formas de energía hay que sumar la de las mareas (energía maremotriz) debida a la atrac- ción gravitatoria de la Luna y el Sol, y a la rotación de la Tierra, 3.106 MW. 


El fenómeno de las mareas

La marea es la fluctuación periódica del nivel de los océanos, debida principalmente a la atracción gravitatoria de la Luna y en menor cuantía del Sol, (la Luna ejerce una atracción 2,2 veces la del Sol), y al movimiento de rotación de la Tierra, (aceleración de Coriolis); otros factores son la forma y fisionomía del relieve de las costas y del fondo, los fenómenos meteorológicos, etc. 

La aceleración que produce el efecto de marea aumenta con la masa y disminuye con el cubo de la distancia. Con relación a la Tierra, y teniendo en cuenta las distancias y las masas, sólo el Sol y la Luna son capaces de producir mareas apreciables; el Sol, más distante, influye por su masa; la Luna, de masa mucho menor, por su proximidad a la Tierra. 

La masa del Sol es del orden de 27 millones la de la Luna, pero se encuentra 390 veces más lejos, por lo que su contribución a la marea es (27.106/3903 = 0,45) veces la contribución lunar. 

El fenómeno es prácticamente idéntico, tanto si el punto sometido a la acción de la marea, se en- cuentra orientado hacia el astro, como si se encuentra en la parte opuesta. 





La intensidad de la fuerza generadora de la marea Fa, lunar FL o solar FS, es pequeña, del orden de 
10-7 veces la fuerza de gravitación, Fig 1. 

FLuna = Fgravedad/17,28.106 ⇒  
FSol = Fgravedad/ 38,89.106  ⇒    Fatractiva = Fgravedad/12.106


Para justificar los desplazamientos de importantes masas de agua, la fuerza de atracción Fa, (que no sigue la vertical), se puede descomponer en dos, una vertical Fv que influye muy poco en la gravedad, del orden de 10-7, mientras que la componente horizontal  Fh es  comparable a  otras fuerzas horizontales como el gradiente horizontal de las aguas de diferente densidad, la ac- ción del viento o la aceleración de Coriolis, distinguiéndose de éstas en que actúa sobre grandes distancias horizontales, en profundidad, provocando el desplazamiento de masas de agua de un hemisferio a otro, produciendo acumulaciones y sustracciones de agua y, por consiguiente, las elevaciones y depresiones del nivel del mar. Como la cantidad de agua del mar es constante, a esta elevación corresponderán descensos en lugares situados a 90º de diferencia en longitud. La fuerza centrífuga originada por el movimiento de rotación de la Tierra al recorrer su órbita alrededor del cdg del sistema Tierra-astro es la misma en cualquier punto del planeta, ya que no depende de la distancia. 


Deformaciones generadas por fuerzas:DVert. ⇒    Elipsoide con diferencia 0, 9 mm entre sus semiejes                                                                 DHor. ⇒    Elipsoide con diferencia 550 mm entre sus semiejes

La DHorizontal  ⇒  la corriente de marea (onda de marea), y requiere grandes extensiones sin obstaculo

   
                                                               


 El efecto de la fuerza atractiva sobre las masas de agua





 El efecto de la fuerza centrífuga sobre las masas de agua






    




El efecto combinado de las fuerzas centrífuga y atractiva


En un punto cualquiera de la superficie terrestre, cuando el astro está por encima del horizonte, la fuerza atractiva por él ejercida es más fuerte que cuando está por debajo del horizonte, en que es la fuer- za centrífuga la que predomina. Si la Tierra no girara alrededor de su eje, las mareas serían estáticas. 

Gracias a la rotación de la Tierra se obtienen, en cada punto del océano, cada día, dos pleamares y dos bajamares, lo que se conoce como marea de tipo semidiurno. 

Cuando el punto esté situado en una latitud importante y el ángulo que forma el astro atractivo con el plano del Ecuador es igualmente elevado, el astro no alcanza el horizonte, lo que implica la pérdida de una pleamar y una bajamar por día, es decir sólo hay una pleamar y una bajamar al día, lo que se cono- ce como marea de tipo diurno


      





En ambos casos el punto (o las masas de agua), tiende a alejarse de la Tierra. Las mareas está sometidas a una fluctuación rítmica de su nivel y a una fluctuación en forma de corrientes, como son: La corriente que acompaña a la llegada de la pleamar, máxima elevación, que se conoce como flujo, La corriente que acompaña a la aparición de la bajamar, mínima elevación, que se conoce como reflujo y es más breve en tiempo que la primera. Cuando el Sol, la Luna y la Tierra están alineados, las mareas son mayores, y se conocen como ma- reas vivas o mareas de sicigias; si estos astros forman un ángulo de 90° las mareas son más reducidas y se conoce como marea muerta.



ENERGÍA POTENCIAL DE LAS MAREAS 

En el mundo, como hemos indicado, existen un número limitado de lugares donde es posible la explo- tación de la energía de las mareas; para ello se requiere de un amplitud de marea mínima de 5 metros, de una bahía, ría o estuario lo suficientemente amplio para que la cantidad de agua a trasvasar durante las mareas sea grande y de la facilidad de construir un dique que separe el estuario del mar, para conte- ner y cerrar el paso del agua. El estuario se llena durante la pleamar y se vacía durante la bajamar a través de unas turbinas y compuertas auxiliares. 
La energía que teóricamente se puede extraer en un ciclo de marea, es función de la superficie del embalse artificial A(z) y de la amplitud a de la marea, diferencia entre los niveles de pleamar y bajamar. 







Zonas de mareas medias potencialmente explotables a nivel mundial

En estas expresiones no se ha tenido en cuenta el rendimiento de la maquinaria y sólo se pretende obtener un límite superior de las posibilidades de la central; también habría que tener en cuenta, que el dique modificará la longitud inicial del estuario y, por tanto, la amplitud de la marea variará en más o en menos con respecto a la que existía antes de la construcción de la central.



Potencial teórico de las mareas en Europa Occidental


Teniendo en cuenta que el número limitado de lugares idóneos para que la instalación sea efectiva (amplitud de marea superior a 5 m), elimina prácticamente el 90% de la energía teórica disponible esti- mada en 3.106 MW, que la disipación de energía por rozamiento es del orden de 1 W/m2 y que una central 
maremotriz tiene un rendimiento máximo del 25%, implica que sólo se podrían aprovechar unos 75.000 MW correspondientes a las mareas en el litoral, lo que representa una fracción muy pequeña. 
Suponiendo un funcionamiento de 12 a 14 horas al día, se vería reducido a 40.000 MW ó 1,75.105 GWh año, equivalentes al ahorro de 2,4.108 barriles de petróleo; (la potencia transmitida del océano 
Atlántico a la Mancha se ha evaluado en 180.000 MW, y al Mar del Norte en 23.000 MW).







domingo, 11 de octubre de 2020

CICLOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS CENTRALES MAREMOTRICES, PROYECTOS Y REALIZACIONES

Ciclos de funcionamiento de las centrales:

Los ejemplos más claros de viabilidad económica a nivel mundial y que ofrecen los mejores resultados para el diseño y proyecto de una central hidroeléctrica mareomotriz están basados en el almacenamiento de agua en el embalse que se forma al construir un dique, con compuertas y turbinas, en una bahía, ría o estuario. 

Embalse y funcionamiento de la central mareomotriz


A continuación veremos algunos de los ciclos con mejor rendimiento:

1. Ciclo con turbina de simple efecto: Este ciclo consta de dos modos operativos.

  • Generación durante el reflujo de la marea (bajamar): El llenado del embalse se efectúa con las puertas abiertas y el vaciado con turbinación.
  • Generación durante el flujo (pleamar): El llenado del embalse se efectúa con turbinación y el vaciado con las puertas abiertas. Es menos eficiente que el anterior, porque el embalse trabaja con niveles más bajos y la capacidad de almacenamiento es menor. En consecuencia generan sólo durante la bajamar o solo durante la pleamar llenándose el embalse. 
En los ciclos de simple efecto que funcionasen con vaciado del embalse sólo generaría energía, cada día, durante dos períodos de unas 10 a 12 horas en total, que se irán produciendo en horas diferentes cada día.

    Ciclo de simple efecto; embalse único


 

         

         Durante el llenado (fig. arriba) y vaciado (fig. abajo)

2. Ciclo con turbina de doble efecto: En este ciclo la generación de energía se efectúa con ambas mareas, lo que exige que las turbinas operen eficazmente con un determinado caudal de agua en cualquier dirección, funcionando tanto durante el llenado, como durante el vaciado del embalse. Se puede utilizar turbinas reversibles y no reversibles, con un sistema de canales y compuertas, lo cual es muy complejo y costoso.

La energía utilizada es menor que la de simple efecto pero genera un 18% más de energía debido a que las diferencias de niveles entre el embalse y el mar son menores. Los tiempos de funcionamiento son de 6 a 7 horas por marea, lo que supone entre 12 y 14 horas diarias de generación de energía, con tiempos de espera entre 2 y 3 horas por marea.


          Embalse con turbina de doble efecto


3. Ciclo de acumulación por bombeo: Este ciclo genera energía con ambas mareas y dispone de algún tipo de almacenamiento por bombeo, lo que lo obliga a utilizar turbinas que sean capaces de funcionar también como bombas. El nivel de generación y la flexibilidad operativa se mejoran, lo que proporciona una mayor eficiencia económica, es decir, permiten un aprovechamiento más racional y rentable de la central, pudiendo llegar al aumento en la generación al 10%.

La experiencia confirma que es más económico y aceptable limitar la generación a la fase de reflujo, bajamar, ya que la carrera de marea en el embalse estaría entonces dentro de la mitad superior de la que existía previamente

La central de ría del Rance en Francia es la primera central de potencia en el mundo de este tipo, y en ella se impuso la utilización de una tecnología nueva en el campo de las turbinas.

Funcionamiento con bombeo 

4. Ciclo múltiple: Utilizan varios embalses, con lo que se podría generar energía de una forma más continua a lo largo del día; serían más caros, pues exigirían una obra civil muy costos, lo que les ha hecho prácticamente inviables. 

El proyecto Cacquot en la bahía de Saint Michel, con mareas de 15 m de amplitud, implicaba diques de 55 km con alturas de 30 a 40 m para almacenar en 2 estanques de 1100 km2, caudales que penetrarían por las compuertas a 500.000 m3/seg, generando entre 30 y 40 TWh año, apoyándose en las islas Chausey. Se estimó en 10 años su construcción, pero el proyecto fue abandonado.




Proyectos y realizaciones:

Estudio de viabilidad. Los principales parámetros que hay que considerar en un estudio de viabilidad son: 
  • La longitud del dique
  • La superficie del embalse
  • El nivel mínimo del agua
  • La amplitud de la marea, que es el factor mas importante, que justifica la instalación de la central

Tendencias.  Las nuevas tendencias para desarrollar estos aprovechamientos energéticos están influenciadas por algunos aspectos que han ido surgiendo en los últimos años por ejemplo, con el propio entorno de la central, que tiene que permitir combinar la energía mareomotriz con otras tecnologías de generación energética, como la hidroeléctrica, térmica, eólica, etc... 
Hay que tener en cuenta que muchos de los mejores emplazamientos están demasiado lejos de los centros de consumo, lo que obligaría a transportar la energía producida a considerables distancias. En esta situación el transporte en corriente continua en alta tensión ofrecería unas prestaciones notables, pudiéndose llegar hasta 10 000 km con pérdidas del 3% cada 1 000 km, lo que permitiría conectar la energía de las mareas generadas en emplazamientos remotos en las redes eléctricas principales.

Aspectos económicos. Los factores que inciden negativamente en el coste de la central son la propia obra civil de construcción del dique, que supone más de la mitad del coste de la planta, con lo que la elección de un lugar adecuado que permita un ahorro en infraestructura, compatible con una buena amplitud de marea, es fundamental. A ésto hay que añadir la larga duración del proceso constructivo de la central, entre 5 y 15 años en el caso más favorable, y el bajo factor de carga estacional, entre el 22% y el 35%, debido a las variaciones de la amplitud de la marea, (mareas vivas y muertas).
Entre los factores que inciden positivamente hay que citar el bajo coste de operación y mantenimiento, inferior al 0.5% y la alta disponibilidad, superior al 95%, que está relacionada con el elevado número de grupos.


El proyecto Magallanes

El impacto ambiental que supone la instalación de los sistemas mareomotrices es muy elevado, provocando una alteración en el equilibrio del ecosistema que afecta tanto a la fauna como a la flora marina.

Para resolver estos problemas, surge en 2007 el proyecto Magallanes. Es una empresa llamada Magallanes Renovables, especializada en la obtención de energía eléctrica mediante el aprovechamiento de la energía de las mareas. El sistema que desarrolla el proyecto Magallanes se basa en construir un artefacto flotante que incluye un tubo con una parte sumergida donde se instalan los hidrogeneradores, donde al paso de las mareas se produce el giro de las hélices, que a su vez van a hacer girar un eje conectado a un generador, consiguiendo producir corriente eléctrica. La plataforma está fondeada mediante dos líneas de anclaje a proa y a popa. Además, por ser flotante, no implica construcción alguna sobre el fondo marino y permite si instalación en cualquier área del mundo. 


 
También es el sistema de más bajo coste de mantenimiento, ya que permite acceder en barco a la plataforma para revisiones, reparaciones o cualquier otra operación. entre algunas de sus grandes ventajas tenemos:

  • El bajo coste de mantenimiento al presentar sala de máquinas accesible
  • Un menor costo de instalación y mayor eficiencia 
  • Al ser instalaciones flotantes se adaptan a todas las zonas marinas con un bajo impacto ambiental.













sábado, 10 de octubre de 2020

Grupos y Centrales mareomotrices

 

 ALGUNAS CENTRALES EN ESTUDIOS

1)   Proyecto de las islas.- La central ya comentada al definir los ciclos múltiples, estaría ubicada en la bahía de Avranches. La inversión sería gigantesca.
 
2)    Central de la bahía de Kislaya.- Ubicada en la península de Koka,. La amplitud de la marea es de 7 metros. Constaría de dos diques, con una longi tud total de 7 km, 22 compuertas y 60 turbinas Bulbo de 6 MW, en total 360 MW.
 
3)    Central de la bahía de Mezen.- En Koka, la amplitud de la marea llega a ser de 9 metros, cerrando un embalse de 2.650 km2, una potencia de 17 GW y una producción de 25 TWh/año.  
 
4)Central de la bahía de Tugur.- Situada en el mar de Okhost, con una amplitud de marea máxima del orden de 8 metros; con un embalse de 1.850 km2 y un dique de 36 km generaría 8 GW ó 20 TWh/año

 





 GRUPOS UTILIZADOS EN LAS CENTRALES MAREMOTRICES



La evolución de ideas hasta llegar a crear grupos bulbo de las centrales, nace de que fueron concebidos para ser utilizados en cuencas fluviales de grandes caudales; La creación oficial de los grupos bulbo tiene lugar el 27 de diciembre de 1933, por  Arno Fisher, que en 1936 inaugura los dos primeros grupos de flujo axial, en el río Persante.




Grupos con el alternador en el exterior.- Esta disposición da lugar a los grupos tubo; la idea, Neyrpic, data de la construcción de la primera presa de Asuán en 1927.

Grupos con el alternador en el interior.- Son los que se emplean actualmente en las turbinas Bulbo, datan de 1933 y aunque fueron mal aceptados, acabaron imponiéndo. Al finalizar la segunda Guerra Mundial, Francia se interesa por la adopción de grupos reversibles maremotrices y grupos para pequeños saltos.


 


Los grupos bulbo tienen interés en minicentrales hidráulicas para aprovechar saltos pequeños con caudales relativamente pequeños; se pueden presentar tres tipos de disposiciones función de las condiciones locales, como grupos en sifón, en cámara de agua y en conducto.


Otro modelo de características parecidas, aunque todavía de mayor salto, lo constituye los grupos en conducto, cuya principal característica es su sencillez, pues se confunden la presa y la central en una única obra.





jueves, 8 de octubre de 2020

 

Realizaciones


1) Central del Rance: La primera y única tentativa para el aprovechamiento de la energía de las

mareas se realizó en Francia, en el río del Rance, en las costas de Bretaña; en esta zona la amplitud de la marea puede alcanzar máximos de 13,5 metros, una de los mayores del mundo.

Un dique artificial cierra la entrada del río y una esclusa mantiene la comunicación de ésta con el

mar, asegurando la navegación en su interior.

Todos los elementos de la central mareomotriz como, generadores eléctricos, máquinas auxiliares,

turbinas, talleres de reparación, salas y habitaciones para el personal, están ubicados entre los muros del dique que cierra la entrada del estuario.






Entorno de la central del Rance 


Fue acabada en 1967 y funciona con un ciclo de doble efecto con acumulación por bombeo. Su dique tiene 700 m de largo, 24 m de ancho y 27 m de alto (15 sobre el nivel medio del mar), 6 compuertas de 15 m de longitud y 10 m de altura y una esclusa que comunica, para pequeños barcos, el mar con el estuario. Los inconvenientes del dique son que bloquea la navegación, impide la emigración de los peces, modifica el tamaño y localización de la zona entre mareas, así como el régimen de mareas aguas arriba. El embalse tiene una superficie de 20 km2 y una capacidad de 186 millones de m3 entre pleamar y bajamar, es decir, el agua que se puede aprovechar en las turbinas.




2) Central de Kislaya. (Kislogubskaya): Ubicada en el mar de Barentz, Rusia; empezó a funcionar como planta piloto en 1968, siendo la segunda del mundo de esta clase; dispone de 1 turbina bulbo de 0,4 MW. Los módulos de la sala de máquinas y del dique fueron fabricados en tierra y llevados flotando al lugar elegido; fue concebida como banco de ensayos para la instalación maremotriz de Penzhinsk, proyecto que en la actualidad ha sido olvid


Entorno de la central de Kislaya


La marea es semidiurna, con una velocidad de 3,6 m/seg. Amplitud media de 2,4 m, en el intervalo de 1,1 m y 4 m. El embalse de 1,1 km2, tiene dos depresiones de una profundidad de 36 m separadas una de otra por una zona de 3 m de profundidad.


3) Central de la bahía de Fundy: Está ubicada en el río Annápolis, en la frontera (USA-Canadá);

la amplitud máxima de la marea puede alcanzar 15 metros.

La altura del dique es de 30,5 m y la longitud de 46,5 m

El aprovechamiento se consigue con una turbina Straflo, en experimentación desde 1984, de 18 MW y consumo de 400 m3/seg; esta turbina es axial, de 4 palas, e incorpora un alternador periférico de 144 polos, funcionando como turbina sólo en un sentido, tiene mayor rendimiento que la Bulbo y no está todavía desarrollada para funcionar como bomba, por problemas inherentes a la estanqueidad del alternador.






Entorno de la bahía de Minas Basin y central de Annápolis.




Turbina Straflo



DISEÑO DE LOS GRUPOS BULBO


La búsqueda de turbo máquinas que funcionen como turbina y como bomba, en ambos sentidos, con conductos hidráulicos de formas simples y económicos, tendentes a mejorar la rentabilidad de las mini centrales hidráulicas y las centrales mareomotrices, condujo a la puesta a punto de los grupos Bulbo; para ello se han utilizado turbinas axiales, que requieren conductos hidráulicos de formas simples y dimensiones reducidas, que permiten un aumento de la potencia específica y una reducción del costo de la obra civil.

Trazado hidráulico de los grupos Bulbo. - Lo que se trata de conseguir con los grupos Bulbo es aumentar la potencia específica, mediante un aumento de la velocidad específica ns. Los ensayos sobre la distribución de velocidades muestran que las pérdidas de carga más importantes se producen, para potencias específicas elevadas, a la entrada y a la salida.



Conductos hidráulicos requeridos por un grupo Bulbo de cámara cerrada y una turbina Kaplan


                                                          (a)                                               (b)

Conductos hidráulicos requeridos por grupos Bulbo de cámara cerrada y grupos Kaplan.



Los conductos hidráulicos de los grupos Bulbo son menos complicadas que los de las turbinas Kaplan, y llegan a tener pérdidas relativamente poco importantes, por lo que se pueden conseguir con los grupos Bulbo mayores potencias específicas, para un salto hidráulico dado.

En la Figura anterior se compara la obra civil de un grupo convencional Kaplan proyectado en principio para el Rance, con el tipo Bulbo definitivamente adoptado. Mientras una turbina Kaplan de 9 MW necesitaba una longitud de dique de 20,5 metros, la turbina Bulbo de 10 MW ocupaba sólo 13,3 m, pudiéndose apreciar también que las obras requeridas para esta última son más

sencillas. Para rendimientos iguales, los grupos Bulbo tienen un diámetro de rodete inferior al de las turbinas Kaplan de la misma potencia; para caídas más pequeñas que el salto de diseño, las potencias generadas por la turbina Bulbo son superiores a las desarrolladas por las turbinas Kaplan.




TODO SOBRE LA ENERGIA MAREOMOTRIZ

  Introducción La energía solar que incide anualmente sobre la superficie terrestre es del orden de 6.1014 MW hora.  Los océanos, con una su...