Energía Mareomotríz

"Qué inapropiado llamar Tierra a este planeta, cuando es evidente que debería llamarse Océano."
Arthur Clarke
Energía Mareomotríz

INTRODUCCIÓN

Actualmente los sistemas que generan electricidad (excepto hidráulicos, eólicos y solares) producen residuos contaminantes, además la mayoría de ellos son recursos no renovables los cuales debido a la creciente demanda energética se están extinguiendo con mayor rapidez. Hoy en día las energías alternativas renovables son la opción más ecológica y razonable de generar electricidad, siendo la eólica y la solar muy utilizada en el país. Extrañamente la energía mareomotriz nunca fue aprovechada y es desconocida por la mayoría de los argentinos, produciendo en los investigadores una gran inquietud que los llevó a investigar este tipo de energía, a partir del año 1973, donde se intensificaron los estudios de todos los tipos disponibles de energías renovables no convencionales: solar, eólicas, geotérmica, mareomotriz, etc.

Las mareas de los océanos constituyen una fuente gratuita, limpia e inagotable de energía.
Solamente Francia y la ex Unión Soviética tienen experiencia práctica en centrales eléctricas accionadas por mareas.

2. FUNCIONAMIENTO

Existen diferentes tipos de instalaciones para convertir energía mareomotriz generalmente en energía eléctrica. El principio de conversión de energía consiste en el uso de una diferencia de niveles de agua oceánica a ambos lados de un dique que encierra un área oceánica. La diferencia de niveles causa una diferencia depresiones de agua dentro y fuera del dique, y bajo esta diferencia de presiones los chorros de agua que pasan a través del dique hacen rotar sistemas hidroturbinas-generadores produciendo de este modo energía eléctrica. El uso de dicho principio tradicional de producción de energía eléctrica tiene una desventaja cardinal: la energía eléctrica se genera no constantemente, sino cíclicamente conforme a los ciclos de mareas. Esto significa que hay una secuencia de periodos alternantes de ausencia y generación de energía eléctrica con un periodo igual al periodo de mareas oceánicas (aproximadamente 6 hs), que en la practica causa serias incomodidades al usar la energía eléctrica obtenida por medio de dicho principio.

Un nuevo principio de transformación de energía mareomotriz en energía eléctrica que todavía no ha sido realizado en la practica ingenieril para generar energía eléctrica continuamente en cualquier escala. Consiste en una múltiple (doble) conversión de energía: primeramente la energía cicilica de mareas se convierte en la energía potencial de agua oceánica acumulada en un deposito ubicado en una altura con respecto al nivel del océano, y después la energía potencial de agua oceánica se convierte continuamente en la energía eléctrica. La primera fase (cíclica) de conversión de la energía mareomotriz la transforma en energía potencial de agua oceánica se realiza por medio de plantas especiales mareomotrices de bombeo vertical, la segunda fase (continua) de conversión de la energía potencial en la energía eléctrica se realiza por medio de una estación hidroeléctrica estándar. El agua oceánica pasada por las turbinas de la central se dirige al océano.

Consideremos una planta mareomotriz de bombeo vertical e indiquemos la capacidad teórica de este tipo de planta con respecto al área del océano ocupado por esta planta. La planta consta de un flotador con el peso especifico igual a 0.5 del peso especifico de agua oceánica que puede desplazarse verticalmente a lo largo de barras verticales fijadas en el fondo del océano.

El flotador puede fijarse en sus posiciones verticales extremas a las barras así acumulando la energía potencial del agua que se mueve cíclicamente al cambiar el nivel del océano durante el proceso de mareas. Cuando el nivel del océano alcance su valor extremo opuesto, un sistema de control libera el flotador que empieza a moverse verticalmente bajo la acción de la fuerza de gravedad o bajo el Principio de Arquímedes. El flotador está unido con un embolo de un cilindro fijado en el fondo del océano. El cilindro a través de un juego de válvulas y un sistema de tuberías se une con el deposito de agua oceánica ubicado en una altura de decenas de metros con respecto al nivel del océano. Al liberarse, el flotador empuja el embolo el cual bombea el agua oceánica desde el cilindro al deposito de agua.

Desde el depósito el agua salada se baja continuamente hacia la central hidroeléctrica que produce energía eléctrica. El caudal continuo de salida de agua oceánica de agua oceánica lo que asegura la producción continua de energía eléctrica.

Las mareas son oscilaciones periódicas del nivel del mar. Este movimiento de ascenso y descenso de las aguas del mar se produce por las acciones atractivas del Sol y de la Luna. La subida de las aguas se denomina flujo, y el descenso reflujo, éste, más breve en tiempo que el primero. Los momentos de máxima elevación del flujo se denomina pleamar y el de máximo reflujo bajamar.

Las mareas pueden apreciarse como una variación del nivel del mar, con un período de aproximadamente 12 horas 30 minutos, con una diferencia de nivel de unos 2 metros que, conforme a la topografía costera, la diferencia entre bajamar y pleamar puede llegar hasta los 15 metros.

La amplitud de mareas no es la misma en todos los lugares, es nula en algunos mares interiores, como en el Mar Negro, entre Rusia y Turquía; de escaso valor en el Mediterráneo, en el que solo alcanza entre 20 y 40 centímetros y es igual de débil en el océano Pacífico. Por el contrario, alcanza valor notable en determinadas zonas del océano Atlántico, en el cual se registran las mareas mayores. Así en la costa meridional Atlántica de la República Argentina, en la provincia de Santa Cruz, donde alcanza una amplitud de 11 metros, en las Bahías de Fundy y Frobisher, en Canadá (13,6 metros), y en algunos rincones de las costas europeas de Gran Bretaña, en el estuario del Servern (13,6 metros), y de Francia en las Bahías de Mont-Saint-Michel (12,7 metros) y el estuario de Rance (13 metros).

En lo que hace al diseño constructivo, se adopta en la mayor parte de la obra el uso de cajones prefabricados (caissons) incluso en reemplazo de los diques complementarios de relleno (éstos se reservan solamente para las zonas intertidales).

Las turbinas Bulbo y Strafflo se usan indistintamente para los estudios comparativos de costos, aunque este último tipo reduce en un 20% el peso muerto (hormigón y balasto) de la obra civil. Sin embargo, todavía no hay en el mercado unidades Strafflo de gran diámetro suficientemente probadas. En Annapolis Royal (Canadá), se puso en funcionamiento una unidad experimental (d = 7.6 m.) que servirá para testear las características de funcionamiento en condiciones reales.

3. POSIBLES ZONAS PARA LA UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA MAREOMOTRÍZ

Se considera que los lugares más viables para aprovechar esta energía son unos 40, que rendirían unos: 350.000 GW/h anuales. Para obtener esta cantidad de energía sería necesario quemar unos 220 millones de barriles de petróleo/año.

Las áreas más prometedoras son:

  • La parte de la Bahía de Fundy, Canadá.
  • Las Bahías de Cobscook y Passamaquoddy, Estados Unidos
  • El Golfo de Mezen, en la ex Unión Soviética.
  • El estuario del río Servern, Inglaterra.
  • Chancy, Francia.
  • La ensenada de Walcott, Austria.
  • San José, en la costa patagónica Argentina.
  • Onchón, en Corea del Sur.

4. EJEMPLOS CONSTRUIDOS O EN EJECUCIÓN

Francia

La primera tentativa seria para el aprovechamiento de la energía de las mareas se realizó en Francia, precisamente en el estuario de Rance, en las costas de Bretaña. Solo abarca 2.000 ha., pero reúne magnificas condiciones para el fin que se busca; el nivel entre las mareas alta y baja alcanza un máximo de 13,5 metros, una de las mayores del mundo. El volumen de agua que entrara en la instalación por segundo se calcula que en 20.000 m3, cantidad muy superior a la que arroja al mar por segundo el Rin. Su coste será de miles de millones de francos; pero se calcula que rendirá anualmente mas de 800 millones de KW/h.

La central consiste en una presa de 720 metros de largo, que crea una cuenca de 22 Km2, presenta un poderoso dique artificial que cierra la entrada del estuario; una esclusa que mantiene la comunicación de éste con el mar y asegura la navegación en su interior; una central con 24 turbinas Bulbo y seis aliviaderos. En el coronamiento de la esclusa, se construyó una carretera.

Todos los elementos de la estación mareomotriz (generadores eléctricos, máquinas auxiliares, las turbinas, los talleres de reparación, salas y habitaciones para el personal director y obreros) están contenidos en los muros del poderoso dique que cierra la entrada del estuario.

La innovación está constituida por la instalación de grupos del tipo "Bulbo", que permiten aprovechar la corriente en ambos sentidos, de flujo y de reflujo, de esta forma se utiliza al máximo las posibilidades que ofrecen las mareas.

Cada grupo esta formado por una turbina, cuya rueda motriz tiene cuatro palas orientables y va acoplada directamente a un alternador. Funcionan ambos dentro de un cráter metálico en forma de ojiva.

La central mareomotriz, con un conjunto de 24 grupos Bulbo tiene una importancia de 220 MW, además del aporte de energía eléctrica, representa un importante centro de desarrollo e investigación, que permitió avances tecnológicos en la construcción de estructuras de hormigón dentro del mar, estudios de resistencia de los metales a la corrosión marina y evolución de los grupos Bulbo.

El impulso en el aprovechamiento de esta fuente de energía, se consiguió con la turbina "Strafflo", en experimentación desde 1984 en la bahía de Fundy, en Canadá (donde se dan las mayores mareas del mundo) ahí existe una central de 18 MW.

La innovación de este sistema radica en que el generador eléctrico circunda los álabes de la turbina, en lugar de ir instalado a continuación del eje de la misma. De este modo se consigue un aumento de rendimiento, ya que el generador no se interpone en el flujo del agua.

Gran Bretaña

También Gran Bretaña proyectó construir una central mareomotriz, en el estuario del río Severn, habiendo estudiado dos posibles ubicaciones, la que parecía más favorable denominada Cardiff-Weston, suponía construir un dique de 16,3 Km para emplazar 192 turbogrupos, con una producción prevista de 14.4 TWh/año, pero este proyecto provocó un importante rechazo social por el impacto al ecosistema.

Rusia

Esta central experimental (Proyecto Kislogubskaya), ubicada en el mar de Barentz, con una capacidad de 400KW, fue la segunda de esta clase en el mundo. Se empleó el método utilizado en Rance: cada módulo de la casa de máquinas, incluidos los turbogeneradores, se fabricaron en tierra y se llevaron flotando hasta el lugar elegido y se hundieron en el lecho previamente preparado. Se puso en marcha en 1968 y envío electricidad a la red nacional.

Argentina

La amplitud de mareas en la Costa Atlántica Sur de nuestro país es una de las mas elevadas del mundo, después de la bahía de Fundy en Canadá, del estuario de río Severn en Inglaterra y de la bahía Mont Saint Michel en Francia, circunstancia que permite crear esperanzas de aprovechamiento de la energía de las mareas a bajo costo y enormes proporciones.
Por ello, los expertos se concentran en la península de Valdés, al noroeste de Chubut, formada por los Golfos San José, al norte, alimentado por el Golfo de San Matías y el Golfo Nuevo, al sur, alimentado por el O. Atlántico.

El estrecho Istmo Carlos Ameghino (de 5 a 7 kilómetros de ancho), que separa ambos Golfos, actúa como magnifico dique natural. Contiene a un lado y a otro el agua de las crecientes y de las bajantes que se alternan en uno y otro Golfo. La onda de marea, se desplaza desde los polos.

Como consecuencia de esos desniveles, se producen valores energéticos que dan como conclusión que la potencia inestable seria del doble de la potencia hidroeléctrica instalada actualmente en todo el país, esto ha despertado un singular interés en las posibilidades naturales que posee el sistema para la generación de energía eléctrica.

El sistema conformado por los Golfos Nuevo y San José separado por la Península de Valdés (Chubut, Argentina), está conectado al continente por el Istmo Ameghino, presenta como característica particular que la marea tiene un desfasaje levemente inferior a un semiciclo, por lo que cuando en uno de los golfos se registra la pleamar, en el otro se observa la bajamar. Puesto que el rango de la marea es muy importante en la zona, el desnivel a ambos lados del istmo puede llegar a los 6m.

Diversos estudios y proyectos fueron emprendidos para la evaluación de las posibilidades reales, entre los que se cuentan los de la firma SOGREAH en 1959 (central de 600 MW) y los de Agua y Energía en 1975 (central de 5300 MW).

A continuación se resumen las ideas y proyectos más importantes para el aprovechamiento energético:

Los aprovechamientos estudiados por Oca Balda y Romero (2000 MW, informe de la comisión Nacional Honoraria, 1928), Fenztloff (4900 a 6800 MW, 1972) y Aisicks y Zyngierman (5040 MW, 1984) se basan en lo que a priori aparece como solución inmediata: el cierre de uno de los golfos, en este caso el San José, creando un inmenso embalse instalando las turbinas necesarias de tal manera que las mismas puedan generar energía traspasando el agua desde el océano al golfo y viceversa, aprovechando las diferencias de nivel que se crearían a uno y otro lado del cierre.

Sin embargo, el cierre del Golfo San José exigiría diques que van desde los 8 a los 13 Km. de longitud con profundidades en algunos casos de hasta 40 m, agravado esto por las enormes corrientes de la zona, que poco tienen que ver con las condiciones imperantes en un estuario. O sea que, sin entrar en un estudio más detallado, surge la duda sobre la magnitud de las inversiones, que pueden no justificar este sistema de explotación.

La apertura del canal a través del istmo aparece como más viable, presentando el atractivo adicional de permitir la realización de una usina no muy grande, con posibilidades de ampliación posterior. La propuesta de Erramuspe (55 MW, 1949) fue retomada sin mayores modificaciones por Sogreah (600 MW) en 1959. Sin embargo es claro que una modificación en la circulación natural por corte del istmo puede llegar a provocar variaciones en el fenómeno de desfasaje, disminuyendo la caída neta y por lo tanto la producción energética.

La potencia que generaría esta central, sin embargo, tendría como desventaja una salida de magnitud oscilante variando en ciclos de 6 hs. Desde cero hasta un máximo y volviendo a cero de acuerdo a la fluctuación de la diferencia de niveles entre los golfos, lo que resulta inconveniente si la central se conecta a una red de pequeña o moderada capacidad. A fin de corregir esta situación, tratando de conseguir una salida mas uniforme, se atacó el problema según dos líneas de estudio:

  • Cerrando ambos golfos (Loschakoff, 1200 MW, 1957)
  • Creando una central adicional de bombeo (Agua y Energía, 5300 MW, 1975)

Se han formulado varias propuestas alrededor del esquema del cierre de los Golfos San José y Nuevo mediante presas, y su comunicación por medio de un canal a través del Istmo donde se ubicaría la usina. Esta usina, según los informes técnicos, podría producir mas de 8.000 millones de KW/h; única en el mundo por ser continua.

A la primera selección se le critican los mismos inconvenientes señalados con respecto a los proyectos sobre el Golfo San José, ya que en este caso se pretende el cierre de seguramente un violentísimo impacto ambiental. La segunda propuesta parecería ser la mas adecuada, pero el norme caudal supuesto para descargar a través del canal (220.000 m3/sg) se acerca peligrosamente a los caudales netos de ingreso a los Golfos Nuevo ( 550.000 m3/sg) y San José (340000 m3/sg).

Otros de los lugares adecuados debido a que presentan una excelente amplitud de mareas (12 mts. Según tablas de mareas) son los ríos Gallegos y Santa Cruz, con lo cual los investigadores decidieron en dicha zona proponer una central mareomotriz similar a la utilizada en Francia, para la propuesta se han tenido en cuenta numerosos factores determinantes como son: característica del río, estudio del lecho de los ríos para determinar en que punto del mismo es conveniente instalar la central generadora, cauce del río, mareas ubicación de los puertos, profundidades.

Todas estas consideraciones resultan importantes para poder realizar una propuesta puntual de instalación, ya que un objetivo inmediato de los investigadores es mencionar las zonas adecuadas de las costas argentinas.

El proyecto incluye una breve referencia sobre el aprovechamiento de energía a través de las olas, incorporando datos sobre sistemas existentes o propuestos en el mundo así como también distintos conceptos teóricos que describen este fenómeno. Dichos datos permiten estudiar que zonas son aptas para captar la energía de las olas además del tipo de dispositivo.

Este proyecto es el primer paso de una investigación de energía mareomotriz en nuestro país. No se pudieron obtener datos de rendimiento debido a la complejidad que estos requieren, aunque sin embargo los investigadores explican la forma de realizar un cálculo. Otro motivo que no permite establecer el rendimiento es la falta de información de los ríos mencionados, ya que donde se plantea la ubicación.

5. VENTAJAS

Una de las ventajas más importantes de estas centrales es que tienen las características principales de cualquier central hidroeléctrica convencional, permitiendo responder en forma rápida y eficiente a las fluctuaciones de carga del sistema interconectado, generando energía libre de contaminación atmosférica, externa de variaciones estacionales o anuales, a un costo de mantenimiento bajo y con una vida útil prácticamente ilimitada.

6. DESVENTAJAS

Esta energía es limitada; ya que la potencia disipada por las mareas del globo terrestre es del orden de 3 TW, de los cuales sólo un tercio se pierde en mareas litorales. Además, para la efectividad de la explotación, la amplitud de marea debe ser superior a los 4 metros, y el sitio geográfico adecuado, lo que elimina prácticamente el 80% de la energía teóricamente disponible, dejando aprovechables unos 350 TW/h por año.

Uno de los mayores inconvenientes en la utilización aparece precisamente debido a las características inherentes al fenómeno de las mareas. En efecto, como el nivel del mar varía (con un período del orden de 12 hs. 30 min.), a menos que se tomen las precauciones necesarias, la caída disponible (y la potencia asociada) varía de la misma forma, y por lo tanto se anulan dos veces por día. Además, la marea sigue el ritmo de la luna y no del sol, de manera que hay un retardo diario de 30 min., en las horas en que dichas energía está disponible. Los esquemas teóricos diseñados para salvar esta dificultad resultan antieconómicos y actualmente el problema solo se puede resolver con regulación externa o interconexión.

Las formas de regulación más convenientes son: la incorporación de la producción a sistemas o redes de interconexión (cuya capacidad debe ser por lo menos 10 veces superior a la magnitud de la usan), una conexión optimizada con centrales de acumulación por bombeo o sistemas en los que se crean pares de depósitos o embalses conectados a distinta altura, llenando el superior cada vez que sube la marea, mientras el otro se mantiene vacío evacuando el agua en bajamar. En el intervalo de tiempo que transcurre entre los movimientos de las mareas, el agua se puede enviarse a través de una turbina del depósito lleno al vacío, manteniendo la continuidad en la producción de energía.

7. COSTOS

Es un recurso hidráulico que tiene analogía con la hidroelectricidad. La energía mareomotriz podría aportar unos 635.000 GW/h anuales, equivalentes a unos 1.045.000.000 barriles de petróleo ó 392.000.000 toneladas de carbón/año.

Si se ha tardado tanto tiempo en pasar de los sistemas rudimentarios a los que hoy en día conocemos, es porque la construcción de una central mareomotriz plantea problemas importantes, requiriendo sistemas tecnológicos avanzados y un elevado costo inicial por KW de capacidad instalada, pero se deberá tener en cuenta que no requiere combustible, no contamina la atmósfera y su vida útil se calcula un siglo.

El acelerado crecimiento de la demanda energética mundial, y el siempre latente incremento en el precio de los combustibles son factores primordiales que achican cada vez más la brecha entre los costos de generación mareomotriz y los de las fuentes convencionales de energía.

8. CONCLUSIONES

Si bien la obtención de energía es importante y la disponibilidad de la materia prima es abundante, los costos de inversión inicial son muy elevados, aunque a largo plazo es amortizable, debido al gran ahorro que se produciría.

Es una energía limpia ya que no produce contaminación atmosférica, aunque su impacto en el ecosistema es significativo.

Se debería realizar un estudio comparativo entre las distintas fuentes de energías alternativas y/o convencionales para evaluar el grado de impacto que causaría cada una de ellas y la posible recuperación por parte del ecosistema del lugar y así poder estimar cual es la menos perjudicial, como así también si la energía mareomotriz es una de la más viable.

 

 

Información obtenida del Portal del Ingeniero Ambiental (archivo .pdf)
http://www.ingenieroambiental.com