Elaboración de mapas de distribución de la energía de las olas y su aprovechamiento como fuente renovable
El presente artículo está encaminado a proponer una vía alternativa para la producción de electricidad a partir de la utilización de la energía producida por las olas. El desarrollo del trabajo se basa fundamentalmente en la utilización de las variables meteorológicas: altura significativa de la ola, dirección de la misma y período de la ola, que abarca un intervalo de siete años, desde el 2000 hasta el 2006. El área geográfica utilizada es el archipiélago cubano y sus mares adyacentes. El análisis de determinación de la ubicación de puntos de alto nivel energético fue basado en el uso de ficheros binarios (.grb), para el software de código abierto GrADS. La utilización práctica de este estudio conllevará a que el país tenga a su disposición una alternativa para la obtención de energía eléctrica independientemente del inestable precio del petróleo y, a su vez, contribuirá a la disminución de gases de efecto invernadero que intensifican el cambio climático.
Por: Mylene Jaen Cabrera*, Adrián Luis Ferrer Hernández* y Amílcar E. Calzada Estrada**
* InSTEC, Cuba.
** Instituto de Meteorología (INSMET), Cuba.
e-mail: myleni@instec.cu, aluis@instec.cu, amilcar.calzada@insmet.cu
Introducción
En los últimos años se ha acrecentado el interés por el desarrollo de fuentes alternativas de energía. El progresivo aumento de la población mundial, el constante incremento del precio del petróleo y la contaminación atmosférica, son algunos de los factores que favorecen el desarrollo de las fuentes renovables de energía. Algunas de ellas, como la energía eólica, han tenido una evolución espectacular. Otras, sin embargo, continúan aún sin haber explorado todo su potencial. Este es el caso de las energías marinas.
Una característica de las energías marinas es su densidad, la cual es muy superior a la de otras fuentes renovables existentes; sin embargo, cabe destacar las grandes dificultades que existen para extraer dicha energía, ya que el mar es un medio adverso de por sí.
En la actualidad, el aprovechamiento de las energías marinas es mínimo, con una potencia instalada reducida a varias plantas pilotos situadas en unos pocos países. No obstante, los primeros intentos de su aprovechamiento se remontan a fechas similares con otras fuentes renovables. Se puede decir que las energías marinas se encuentran en un momento divergente tecnológicamente en el que existen muchas ideas, pero ninguna ha demostrado su liderazgo tecnológico.
Del mar se puede obtener energía aprovechando fundamentalmente cinco fenómenos
(Fig. 1):
1. Mareas: El ascenso y descenso del nivel del agua del mar producido por las influencias gravitatorias del Sol y la Luna.
2. Oleaje: Las olas son producidas por la acción del viento sobre la superficie del mar. Posteriormente estas se trasladan recorriendo centenares de kilómetros.
3. Corrientes marinas: Se originan por la diferencia de densidad y contenido de sal del agua, así como por la temperatura, la evaporación y la rotación de la tierra.
4. Gradiente térmico: El calor solar sobre el agua de mar provoca una diferencia de temperatura entre las aguas superficiales y las del fondo, que puede alcanzar 20 ºC.
5. Gradiente salino: Consiste en aprovechar la diferencia de salinidad entre el agua de los océanos y el agua de los ríos.
Aunque todas las formas de extraer energía del mar están en pleno desarrollo, cabe destacar que la tecnología referida al oleaje reporta un mayor número de proyectos de investigación.
Fig. 1. Esquema del potencial de energías renovables en el mar
Antecedentes históricos
La idea de aprovechar la energía del oleaje no es un concepto reciente. En 1979 fue registrada en París la primera patente que consistía en aprovechar el movimiento oscilatorio provocado por una palanca gigante acoplada a un arco, para accionar diferentes dispositivos mecánicos, tales como cierras y bombas.
A lo largo del siglo XIX el interés por la energía del oleaje se incrementa. Un estudio realizado por el National Engineering Laboratory, del Reino Unido, indica que entre 1860 y 1890 el ritmo de presentación de patentes es aproximadamente de tres por año, alcanzando, a principios del siglo XX, las seis por año. En general, se trataba de patentes de dispositivos que proponían aprovechar el movimiento oscilatorio de las olas por medio de bombas y otros medios mecánicos (engranajes, cremalleras, trinquetes, cables o palancas).
Una de las primeras aplicaciones prácticas de la energía del oleaje fue el dispositivo creado por Boucheaux-Praceique en Royan, cerca de Burdeos, alrededor de 1910.
La Segunda Guerra Mundial obliga a dar un salto en el conocimiento de la dinámica del oleaje. En esa época comienzan los trabajos de Yoshio Masuda, del Japan Marine Science and Technology Center (JAMSTEC), que materializa, en 1965, la primera aplicación comercial.
La ciencia e ingeniería del aprovechamiento de la energía del oleaje, basada en teorías y métodos apropiados de investigación, comenzó realmente después de 1973, a consecuencia de la crisis del petróleo, que obligó a explotar todas las posibles fuentes alternativas de energía.
Problemática y objetivos
Debido al elevado precio actual del petróleo y a la crisis económica que enfrenta Cuba, se presenta la necesidad de encontrar nuevas vías para la obtención de energía eléctrica. En tal sentido se formula el problema científico siguiente: ¿Cómo contribuir a la economía del país con una nueva forma de producción de energía eléctrica?
Los objetivos del proyecto de investigación, fueron:
• Realizar un procesamiento propio por medio de la herramienta GrADS para la obtención de valores estadísticos sobre los niveles energéticos de las olas en el área del archipiélago cubano y sus mares aledaños.
• Obtener mapas promedios anuales de los contenidos energéticos en el área de estudio.•Proponer, mediante su ubicación geográfica, los lugares que presenten un alto potencial energético de las olas para producir energía eléctrica.
Los métodos empleados fueron:
• Métodos teóricos: El histórico-lógico, mediante la consulta en el INSMET, de todo el material bibliográfico que sirviera como antecedente del trabajo y punto de partida de los objetivos propuestos.
• Métodos matemáticos-estadísticos: Por mediación del software libre GrADS se obtuvieron los valores necesarios para la descripción tanto cualitativa como cuantitativa de la magnitud energética que poseen las olas.
• Método comparativo: Se aplicó mediante el análisis entre los mapas promedios anuales generales y los mapas promedios mensuales, en busca de interpretaciones significativas que permitieran arribar a conclusiones.
Desarrollo
El mar abarca 360 millones de kilómetros cuadrados, más de 70% de la superficie del planeta. El hombre ha extraído del océano cuantos recursos le ha permitido su ingenio: alimentos, tesoros, sal, medicamentos… A lo largo de las últimas décadas, además, los ojos del ser humano han empezado a mirar el mar como yacimiento energético. Porque, como señala el Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente, el océano es el mayor colector solar del mundo. En otras palabras, el mayor almacén de energía. Esa energía está encerrada en las corrientes de agua, en la biomasa marina (ya es posible obtener gases combustibles de ciertas algas marinas), en las mareas (cuatro cada día) o en las olas que levanta el viento. De todos esos fenómenos, y de algunos otros, también es posible obtener energía. En estos momentos, las posibilidades de aprovechamiento se centran, sobre todo, en la energía de las olas, la de las mareas (mareomotriz), la de las corrientes y la energía mareotérmica, que aprovecha la diferencia entre la temperatura del agua de la superficie (la que recibe el calor del Sol) y la temperatura de las aguas más profundas.
Debido al desarrollo tecnológico existente en el mundo en cuanto a la generación de electricidad a partir del oleaje y a las potencialidades que esta brinda, la presente investigación estará encaminada a desarrollar un método de identificación de puntos estratégicos para la instalación de dispositivos generadores de electricidad, encaminados al aprovechamiento de la energía generada por las olas (Tabla 1).
Tabla 1. Ventajas y desventajas de la utilización de la energía producida por las olas
| Ventajas | Desventajas |
| Auto renovables | Ligero impacto visual sobre el paisaje costero |
| No contaminante | Localización puntual |
| Forma arrecifes coralinos mejorando fauna y flora | Dependiente de la amplitud de las olas |
| Sin costo de materia prima, almacenable y versátil | Posible ruido, que puede minimizarse |
| No desplaza población | |
| Disponible en cualquier clima y época del año | |
| No produce gases de efecto invernadero |
La energía de una ola depende de diversos factores. Simplificando, la potencia entregada por una ola se puede estimar como proporcional a su amplitud al cuadrado y al período. La unidad típica de medición es el kilowatt por metro de longitud de cresta (kW/m).
Superponiendo los diferentes tipos de olas en un cierto tiempo de un lugar dado, se puede lograr un espectro de olas, donde se obtiene una cierta amplitud y períodos característicos de cada lugar. Luego, bastaría con identificar los lugares con mayor y mejor energía (más constante) para la instalación de este tipo de generadores.
Actualmente, investigadores y especialistas de todo el mundo se dedican intensamente a buscar formas de generación de energía sin producir gases con efecto invernadero.
En el presente trabajo se identifican los lugares de mayor aporte energético, a partir de un extenso trabajo estadístico, mediante el empleo de la utilidad GrADS (desarrollada para Linux). El análisis tuvo en cuenta variables hidrometeorológicas, como la altura significativa y el período de la ola. A continuación se explica el procedimiento empleado:
• Obtención de los ficheros binarios (con extensión «.grb»), que constituyen las salidas trihorarias de los mapas de las variables antes mencionadas, creados a partir del Modelo Meteorológico (Wave Watch III, WW3, para Western North Atlantic).
• Elaboración de los archivos descriptores «.ctl», o intérpretes de los valores de las matrices que conforman a los ficheros binarios.
• Evaluación de los valores de los archivos para comprobar el grado de confianza obtenido en la investigación.
• Selección de la sección de los mapas de interés, para la creación de nuevos ficheros con la información a emplear.
• Obtención de los ficheros mensuales, mediante scripts desarrollados para la plataforma Linux Ubuntu 10,10 x86 (versión Desktop a 32 bits).
• Elaboración de los mapas promedios de las variables incluidas en la ecuación de la energía producida por una ola.
Para ello usamos la ecuación siguiente, obtenida de antemano:
E = (1,56 ρ g H2 T) / 8
Donde:
E: Energía mecánica de la ola (E = Ek + Ep).
ρ: Densidad superficial del mar, ρ = 1,025 kg/m3.
g: Constante gravitacional en la superficie de la Tierra, g = 9,81 m/s2.
H: Altura significativa de la ola.
T: Período de la ola.
Resultados obtenidos
En la tabla 2 se pueden apreciar los resultados obtenidos de los promedios anuales de la energía de las olas y de sus alturas significativas. Dicho procedimiento se llevo a cabo mediante el comando «ave», realizando el cálculo de los mapas de energía, correspondientes al período entre el 2000 y el 2006.
Tabla 2. Mapas anuales promedios de la energía de las olas y de la altura significativa de las olas
Promedios de
energía de las olas Vs. Promedios de
altura significativa de las olas
Después de haber obtenido los mapas de la energía producida por el oleaje se determinó que los puntos más estratégicos para la posible ubicación de dispositivos generadores de electricidad a partir de esta fuente, son (Fig. 2):
• Porción Noroeste de Pinar del Río.
• Porción Sur del Cabo de San Antonio en Pinar del Río.
• Sur de la Isla de la Juventud.
• Sur de Granma.
• Sección de la costa norte que abarca desde Guantánamo hasta Camagüey.
Fig. 2. Puntos más estratégicos para la posible ubicación de dispositivos
generadores de electricidad a partir de las olas
Por otro lado, existen varias tecnologías para la obtención de energía eléctrica a partir de la generada por las olas (Fig. 3):
• Mediante un atenuador: Estructura flotante alineada en paralelo con la dirección de la ola, en la cual la estructura monta la ola. Los movimientos en su longitud pueden ser utilizados para producir energía. Uno de los modelos representativos de esta categoría es el Pelamis.
• Mediante un colector: Estructura flotante que captura las olas para concentrar la energía en un punto, donde se produce la conversión de la energía.
• Mediante rebalse: Estructura que utiliza una pared, la cual es sobrepasada por las olas, entrando a un depósito de agua. El depósito acumula energía potencial, descargando el agua a través de turbinas hidráulicas. Uno de los modelos representativos es el Wave Dragon, que posee un colector de olas (brazos del dispositivo) y en el centro, las turbinas.
• Columna de agua oscilatoria: Estanque abierto en la parte inferior, parcialmente sumergido en el agua superficial, de manera que el movimiento vertical de las olas produzca una diferencia de presión dentro del estanque, la cual es canalizada a turbinas para aire (comúnmente bidireccionales). Uno de los modelos representativos es el Wavegen.
• Conversores de atenuadores de ola: Dispositivo que captura el movimiento horizontal de las olas mediante una paleta pivoteada en la parte superior. La paleta oscila como un péndulo, permitiendo la conversión de la energía.
• Absorvedores de punto: Estructura flotante que absorbe energía en cualquier dirección dado por su movimiento cercano o en la superficie del agua. El absorvedor puede ser diseñado para que quede en resonancia a fin de maximizar la potencia. El dispositivo para transformar la energía cinética de la estructura puede tomar diversas formas, siendo el más común el uso de generadores lineales. Uno de los modelos representativos es el Aqua Buoy.
• Diferencial de presión sumergido: Estructura sumergida en el fondo marino cercano a la costa, que utiliza los avances y retrocesos de las olas en la costa, aumentando y disminuyendo el volumen de agua sobre él, y por ende la presión. Uno de los modelos representativos es el Ceto.
• Otros: Consisten en configuraciones especiales, de las cuales no se encuentra suficiente información disponible.
Fig. 3. Instrumentos utilizados en la generación de energía eléctrica a partir de las diferentes fuentes energéticas existentes en el mar
Conclusiones
•La utilización de GrADS permitió demostrar una gran eficiencia y una amplia gama de utilidades que brinda para el trabajo con este tipo de ficheros binarios, o sea, corrida de modelos o algún tipo de archivo de alguna variable específica. Su campo se extiende a todas las esferas de la meteorología, permitiendo un detallado análisis de los mapas de variables meteorológicas.
• En la presente investigación se desarrolló con gran eficiencia la determinación de puntos estratégicos en el mar, que permitirán la producción eficiente y estable de energía eléctrica durante todos los días del año; energía limpia que contribuye económicamente al país, además de aportar a la disminución de emisiones de gases contaminantes derivados de los combustibles fósiles.
Recomendaciones
•Profundizar en las herramientas que brinda GrADS para el trabajo con datos binarios, y en el análisis de los mapas de variables en las corridas de modelos meteorológicos.
• Investigar, desde el punto de vista ingenieril, los resultados obtenidos y las tecnologías actuales existentes en el mundo para la instalación de dispositivos adecuados a las condiciones físicas-geográficas del lugar propuesto, y otras series de factores económicos que determinarán dónde será más eficiente y óptima la aplicación de esta tecnología en Cuba.
Bibliografía
Casals Taylor, Reinaldo. Tesis de Maestría.
«Energía de las corrientes marinas», en http://libros.redsauce.net
Energías renovables, Editorial Iberdrola.
http://web.ing.puc.cl/%7Epower/alumno07/generacion%20mareomotriz/home.html
http://www.apie.com.ar/Boletines/newsletter-05.html
http://www.iges.org/GrADS
http://www.ina.gov.ar/Seminario%2020-8_archivos
http://www.induambiente.com
http://www.nimbar.net/index.htm
Rodríguez Sosa, Mario. Energía producida por las olas del mar. Universidad Técnica Latinoamericana.
Ruiz Míguela, Pablo. «Energía del oleaje: Estado actual y perspectivas futuras», DYNA: abril, 2008.
Anexo
Lo cierto es que quienes investigan estas tecnologías se muestran especialmente creativos. Sólo en el terreno de la energía de las olas (denominada undimotriz) hay al menos cincuenta prototipos diferentes en el mundo, aunque lo más posible es que sólo lleguen a la fase comercial unos pocos de ellos. Uno de los sistemas más avanzados es el Pelamis, popularmente conocido como serpientes marinas, desarrollado por la firma escocesa Ocean Power Energy (OPD), que se está probando en Portugal y el Reino Unido. Pero Pelamis tiene serios competidores. Por ejemplo, Wave Dragon, desarrollado por un equipo danés. Mientras tanto, Portugal se prepara para albergar máquinas Aqua Buoy, con una potencia total de 2 MW, fabricadas por Finavera, firma que tiene en funcionamiento desde el 2000 un prototipo más pequeño, de 500 kW, denominado Limpet, en las costas escocesas. Enersis, promotora de las fuentes renovables de energía en Portugal, ha anunciado su intención de tener instalados 5 000 MW en centrales de oleaje para el 2020.