Fuente: Chris Palmer. Universidad de Oregon. Miércoles, 1 de abril de 2020
A lo largo del día, un desfile implacable de olas atraviesa los océanos del mundo antes de estrellarse contra costas lejanas. Solo en los Estados Unidos, aprovechar esta fuente ilimitada de energía podría representar 2.64 billones de kW-hora en potencial energético anual teórico, equivalente a dos tercios de la generación de electricidad de USA, según una estimación de 2018 del Departamento de Energía (DOE).
Bryony DuPont, profesora asociada de ingeniería mecánica en la Oregon State University, trabaja para maximizar este potencial. Con fondos principalmente del Departamento de Energía, DuPont y su equipo desarrollan simulaciones por computadora para ayudar a los fabricantes de convertidores de energía de las olas a diseñar dispositivos que recojan la mayor cantidad de energía de cada ola.
Antes de que DuPont llegara al estado de Oregon, su investigación se centró en algoritmos de diseño para sistemas de energía eólica. Cerca del final de su trabajo de doctorado en la Universidad Carnegie Mellon, hizo una pasantía en el parque eólico del Laboratorio Nacional de Energía Renovable en Colorado. Mientras estuvo allí, se cruzó con ingenieros del estado de Oregon que buscan aprovechar otra fuente de energía renovable: el océano.
“Cuando vi un camino despejado para llevar mi trabajo con viento y aplicarlo a la energía de las olas, aproveché la oportunidad”, dijo DuPont. “Y con la reputación mundial del Pacific Marine Energy Center (PMEC), fue una decisión fácil venir al estado de Oregon”; el anteriormente el Centro Nacional de Energía Renovable Marina del Noroeste, es una asociación en el estado de Oregon de la Universidad de Washington y la Universidad de Alaska Fairbanks para investigar las dimensiones técnicas, ambientales y sociales de la energía marina.
Un aspecto importante de la misión del PMEC es probar convertidores de energía de las olas de tamaño completo que se puedan conectar a las redes eléctricas terrestres. Pero mucho antes de probar estos dispositivos, o incluso de construir prototipos, se lleva a cabo un extenso proceso de optimización del diseño.
“Al comenzar a diseñar estos dispositivos novedosos, hay un espacio de diseño realmente amplio”, dijo DuPont. “Y aunque la gente presenta soluciones realmente creativas, no está claro cuáles son las mejores”.
La física y las matemáticas de las olas del océano son bien conocidas, pero la simulación computacional del flujo de fluidos a gran escala sigue siendo un gran desafío, porque las simulaciones tardan mucho en ejecutarse. Cada vez que se modifica un parámetro de diseño, por ejemplo, la longitud del casco o la curvatura de la hélice, la simulación debe ejecutarse nuevamente. Entonces, lo que comienza como una simulación computacionalmente costosa se convierte en una enorme cantidad de tiempo cuando se evalúan miles de iteraciones de diseño.
“Estamos bastante limitados por nuestras capacidades computacionales, pero hemos encontrado formas realmente ingeniosas de eludir esto, incluidos modelos que son un poco más esqueléticos en algunas formas estratégicas”, dijo DuPont. La fidelidad de estos modelos reducidos puede no ser tan alta y pueden introducir una cantidad sutil de error, pero se ejecutan significativamente más rápido y pueden proporcionar resultados informativos aplicables a los desarrolladores.
Más allá del rendimiento, los modelos de DuPont intentan optimizar otras consideraciones como el costo, la confiabilidad, la fabricación y la implementación.
“Ahora estamos entrando en esas propiedades porque son mucho más difíciles de cuantificar”, dijo DuPont. “Si le dices a un algoritmo de optimización que diseñe el convertidor de energía de las olas más potente, es probable que elija el más grande. Pero, si puede tener en cuenta el costo de producción, el costo de remolcarlo al mar y la confiabilidad de los componentes, eso generalmente le da un resultado mucho más realista”.
La factibilidad de su fabricación también es una preocupación; si bien un algoritmo puede generar un diseño que maximice la generación de energía y la confiabilidad al tiempo que minimiza el costo, el diseño podría requerir una forma de casco que sea simplemente demasiado compleja para muchos fabricantes. El despliegue oceánico también puede pasarse por alto en el diseño de dispositivos iniciales. “Ha habido proyectos completamente construidos y probados en tanques de olas, luego sacados al océano presenta dificultades para su concreción”, cabe citar al estudiante de posgrado Ali Trueworthy. “por ejemplo el cableado y el amarre, históricamente se han dejado para el final para que alguien más lo averigüe, y en algunos sitios se carece de esa infraestructura”.
Por último, la dinámica de las olas puede variar considerablemente entre ubicaciones. Para dar cuenta de esto, DuPont está investigando tres modelos diferentes de convertidores de energía de las olas en ocho lugares diferentes alrededor del mundo para evaluar la combinación ideal entre el modelo y su ubicación.
Además del interés del DOE en los convertidores de energía de las olas conectados a la red, más recientemente la agencia ha estado apoyando el desarrollo de convertidores de energía de las olas más pequeños para alimentar una miríada de aplicaciones en el mar, como los vehículos autónomos submarinos; granjas de acuicultura; boyas que miden las olas, el viento y otros datos ecológicos.
Trueworthy dirigió recientemente un equipo multidisciplinario de estudiantes de todo el país más allá de la primera ronda de una competencia del DOE llamada “Waves to Water” con un convertidor de energía de las olas destinado a alimentar plantas de desalinización en alta mar.
Y como una ola que alcanza su cresta, baja y vuelve a cresta, la investigación de DuPont ha vuelto recientemente a la energía eólica. Es investigadora en un proyecto financiado por el DOE y encabezado por Barbara Simpson, profesora asistente de ingeniería civil en el estado de Oregon, para desarrollar simulaciones híbridas para convertidores de energía eólica marina, que son esencialmente turbinas eólicas conectadas a plataformas flotantes.
El plan es construir versiones reducidas de las plataformas para probar en el laboratorio de olas, luego modelar la dinámica de la turbina eólica e introducirla en las plataformas físicas a través de un sistema de actuador de cable. El papel de DuPont será desarrollar el modelo computacional de la turbina que funciona lo suficientemente rápido como para probar el sistema en tiempo real. “La energía está ahí afuera, esperando ser aprovechada”, dijo DuPont. “Queremos ayudar al DOE y a nuestros socios de la industria a capturar la mayor cantidad posible”.
Preguntas: editor@engr.oregonstate.edu