FORMACIÓN DISTANCIA

UNIDAD DIDÁCTICA ENERGÍA MAREOMOTRIZ

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1.INTRODUCCIÓN

Probablemente, una de las primeras observaciones de la Naturaleza que realizaron los seres

humanos que vivían en zonas costeras fue la periódica subida y bajada de las aguas de los

mares. Tales variaciones del nivel del agua se producen de forma predecible. Se constata que

los períodos de subida y bajada de la marea son diurnos, aproximadamente cada 24 horas, y

semidiurnos , cada 12 horas y 25 minutos. En determinados estuarios y fiordos, o en cualquier

lugar donde el mar penetra en la costa entre paredes en forma de embudo, se pueden llegar a

alcanzar alturas de agua de hasta 10 metros o más. El cambio de altura que se produce entre la

bajamar y la pleamar en puntos costeros, que puede variar entre 0,5 y 10 metros, según la

localización y características físicas del lugar, se denomina alcance y puede dar lugar a a

almacenamiento de energía potencial.

Por otra parte, el agua , al moverse, da lugar a corrientes de marea, que pueden hacer que el

agua se mueva a velocidades de hasta 5 m/s, por lo que también se genera energía cinética. Por

lo tanto, las mareas están asociadas a dos formas de energía susceptibles de ser transformadas

en electricidad con eficiencias elevadas, en las denominadas centrales mareomotrices. Este

movimiento periódico y alternativo de las aguas del mar es inducido por el efecto de las

atracciones mutuas entre la Tierra, la Luna y a veces el Sol, y la fuerza centrífuga, que

aparece como consecuencia de la rotación del sistema Tierra-Luna alrededor de un centro

de masas común.

El ser humano empezó a hacer uso de esta forma de energía en la Edad Media, período en que

se instalaron algunos molinos de marea en Francia y Gran Bretaña. En 1938 aparecieron las

primeras ideas relacionadas con la posibilidad de convertir energía de las mareas en

electricidad. La primera central mareomotriz fue construida en el estuario del río Rance, en la

Bretaña francesa, cerca de St. Malo, entre 1961 y 1967, y tiene una capacidad de 240 MW.

También en el mar de Barents ( Noreste de Rusia) a 100 km de Musmansk se instaló en 1968 una

central de 400 Kw.

Hay que distinguir entre la energía mareomotriz y la energía del oleaje que se origina como

consecuencia de la fricción del viento con la superficie del agua de los mares. Las centrales

mareomotrices suelen funcionar según un esquema que consiste en atrapar el flujo ascendente

de agua creado durante la pleamar, por medio de una presa construida en un lugar apropiado

de la costa. El flujo provocado por la marea se deja pasar a través de las esclusas, que se cierran

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una vez que se ha alcanzado la pleamar. Al retirarse la marea, el nivel del agua en el exterior de

la presa baja y se crea un desnivel máximo al llegar la bajamar. En este momento se abren las

tuberías de acceso a las turbinas, las cuales, dado el bajo salto y la gran cantidad de agua que se

puede almacenar, deben permitir el paso de un caudal elevado.

Por otra parte, dada la gran concentración de iones cloruro que contienen, las aguas marinas

son altamente corrosivas, por lo que los materiales empleados en la fabricación de los

turbogeneradores han de ser resistentes a la corrosión.

Una vez que se ha almacenado el agua de la pleamar, el esquema de funcionamiento de una

central mareomotriz es análogo al de una central hidroeléctrica de salto bajo. La tecnología para

la transformación energética también es análoga, salvo qu hay que tener en cuenta la salinidad

del agua, que es corrosiva para el metal del que está construida la turbina, y el hecho de que las

turbinas tienen que funcionar con la intermitencia dictada por el ritmo de la marea y con

sensibles variaciones en el salto de agua, debido a que la presa se vacía totalmente durante la

bajamar.

Una característica de la producción de electricidad por vía mareomotriz es su intermitencia, y

el hecho de que dicha producción no se pueda acompasar con la curva de demanda, debido a

que el ciclo de las mareas tiene un periodo largo algo mayor que medio día ( 12 horas y 35

minutos).Esta intermitencia se puede paliar en parte recurriendo a centrales de doble efecto, y a

esquemas de bombeo de embalses adicionales.

2. ESTIMACIÓN DE RECURSOS MAREOMOTRICES A ESCALA

MUNDIAL

El total mundial de recurso mareomotriz accesible se estima en unos 120 GW de capacidad

instalada, con una producción de 190 TW/año. Otras estimaciones sugieren que en Europa el

recurso mareomotriz es el del orden de 300 TW/año. Estos cálculos no incluyen la posibilidad de

obtener energía eléctrica a partir de las corrientes de marea, que se producen en estrechos y

entre islas, o en pleno océano.

Áreas con potencial importante se pueden encontrar en Francia, Irlanda, Inglaterra, Rusia,

Canadá, Estados Unidos, Argentina, India, China, Corea, Australia, Chile y Brasil.

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Finalmente, se trata de saber si la energía mareomotriz puede incluirse entre las energías

renovables. Aunque el mecanismo primario implicado en al generación de las mareas es la

interacción gravitatoria Tierra-Luna, la energía del flujo de marea proviene de la rotación de la

Tierra, que es la que impulsa el movimiento de la onda levantada por gravitación a través de los

oceános. En realidad, este proceso da lugar a una disipación de energía, lo que contribuye a

frenar la rotación de la Tierra en aproximadamente 1/50 segundos cada mil años, debido a la

fricción.

Por otra partes si todos los recursos mareomotrices estimados como explotables llegarán algún

día a ponerse en producción, se calcula que frenarían la rotación de la Tierra en un día cada

2000 años, lo que no se considera un problema ambiental significativo.

2.1 PRINCIPIOS FÍSICOS DE LA GENERACIÓN DE LAS MAREAS

Todavía no se ha podido llegar aún a la comprensión física total de la dinámica de las mareas

debido a la complejidad topológica que caracteriza a los fondos marinos.

TEORIA FÍSICA DE LAS MAREAS DESARROLLADA POR NEWTON

La Tierra y la Luna se ejercen una interacción gravitatoria mutua intensa, debido a la

proximidad a que se encuentran. La Tierra retiene las aguas de los mares, como consecuencia

de la atracción gravitatoria, pero la Luna atrae también las tierras y las aguas de nuestro planeta.

En el caso de las primeras están rígidamente unidas, por lo que dicha atracción no provoca

desplazamientos perceptibles de las mismas. Los líquidos, por el contrario, son más fácilmente

deformables, y la atracción de la Luna, combinada con la fuerza centrífuga que actúa sobre las

aguas, provocada por la rotación del sistema Tierra-Luna alrededor de un centro de masas

común, dan lugar a un abombamiento cuya altura se puede calcular. Este abombamiento se

mueve “llevado” por la traslación de la Luna y la rotación de la Tierra, dadno lugar a una onda de

marea, caracterizada por un período y una longitud de onda. Estas ondas, que llegan a un

determinado ritmo a las costas, junto a las formas costeras de tipo embudo ( estuarios y fiordos,

por ejemplo) contribuyen , por efectos de ondas estacionarias, a elevar sensiblemente los

niveles del agua sobre el nivel medio.

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3.PRESAS MAREMOTRICES

Uno de los mayores inconvenientes que presentan los esquemas mareomotrices, a la hora de

considerar su viabilidad económica, es la gran inversión de capital inicial que hay que realizar.

Por ello se hacen estudios previos sobre impactos ambientales, y sobre todo el punto exacto en

el que se debe construir la presa o presas, tratando de que los canales de acceso del agua el

propio muro contribuyan a conseguir un máximo valor para el área del embalse. La energía

potencial del agua embalsada se convierte entonces en energía de rotación de turbinas de tipo

hélice o Kaplan, que son las más adecuadas para los grandes caudales que es necesario vaciara

durante el tiempo que dura la bajamar, junto con los bajos valores de salto con los que se

trabaja. Pequeñas diferencias de altura de las mareas pueden ser enormemente significativas

en cuanto a hacer viable desde el punto de vista económico un proyecto de central

mareomotriz.

FIGURA 96. PRESA MAREOMOTRIZ

La energía eléctrica se puede generar en centrales mareomotrices recurriendo a tres tipos de

estrategias:

1. GENERACIÓN POR INUNDACIÓN: Las turbinas de flujo axial se colocan

perpendicularmente al flujo creado por la marea creciente, con lo cual habrá, cada 24

horas y 50 minutos, dos picos de producción de electricidad durante unas tres horas

cada un, que es el tiempo en que la marea mantiene el agua sobre el nivel medio del

agua.

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FIGURA 97.GENERACIÓN POR INUNDACIÓN

2. GENERACIÓN EN PLEAMAR: En este caso, el flujo de marea se deja entrar en la presa

con las esclusas viertas y turbinas desconectadas durante el tiempo que se tarda en

alcanzar la pleamar. Llegada ésta, se cierran las esclusas y se espera un tiempo, mientras

baja la marea hasta que se crea un salto que permita funcionar a las turbinas con una

eficiencia elevada. Entonces se deja pasar el agua por las turbinas de reacción, que

convierten la energía de la presión hidrostática en momento de giro del eje, que se

transmite al generador eléctrico. Así se consiguen de nuevo dos picos de generación de

electricidad, cada 24 horas y 50 minutos, y con una duración de unas tres horas cada

uno. Además, al cambiar cada día la altura y la hora de la marea, esa generación se va

produciendo con horario cambiante y con ligeras variaciones sinusoidales en la

potencia producida. Por lo tanto, la energía eléctrica mareomotriz es intermitente,

aunque predecible y garantizada. La producción de picos de potencia eléctrica cada 12

horas, en momentos que no tienen que coincidir necesariamente con una máxima

demanda, puede crear problemas de integración de esta electricidad sea compatible

con la red, sería parar, durante el tiempo de producción de la energía mareomotriz, el

funcionamiento de centrales térmicas que produjeran la misma energía.

En países con redes de transporte eléctrico podo desarrolladas y con menos demanda y

menos diversificación en el tipo de plantas de producción de electricidad, puede no

resultar tan sencillo integrar tales picos de producción en el sistema de transporte de

electricidad. En este caso se puede recurrir a un tercer modo de producción:

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FIGURA 98. GENERACIÓN EN PLEAMAR

3. PRODUCCIÓN DE DOLBE EFECTO O POR INUNDACIÓN-PLEAMAR: En este caso parte

de la energía eléctrica se produce por inundación, manteniendo en funcionamiento las

turbinas durante la entrada del agua en la presa, con lo que el agua pierde parte de la

energía y alcanza menos altura en la presa. Cuando el agua ha entrado, se cierran las

compuertas y se hacen funcionar las turbinas, produciéndose electricidad al modo de

pleamar. Con esta estrategia se consiguen cuatro picos de menor producción de

electricidad que en los casos anteriores y con una duración de unas 5 horas cada uno, es

decir, se consigue mitigar la intermitencia en la producción y que las cantidades a

añadir a la red sean menores, lo que crearía cargas menores y haría menos necesario un

reforzamiento de la red.

FIGURA 99. INUNDACIÓN-PLEAMAR

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4.TIPOS DE TURBINAS PARA LA GENERACIÓN DE

ELECTRICIDAD EN CENTRALES MAREOMOTRICES.

Gran parte de la tecnología necesaria esta basada en la utilizada en centrales

hidroeléctricas, que esta muy desarrollada.

No obstante, los materiales de construcción de los elementos que constituyen las turbinas,

que entran en contacto con aguas con gran concentración de cloruros , y por lo tanto muy

corrosivas, han de ser más resistentes a la corrosión, lo que encarece la inversión. Además, el

generador eléctrico ha de estar colocado de tal modo que los devanados no entren en

contacto con la corrosiva agua marina.

FIGURA 100. ESQUEMA CENTRAL MAREOMOTRIZ

La experiencia obtenida en el funcionamiento de la central de La Rance ha conducido a un

número de configuraciones que protegen el turbogenerador. Se utiliza por ejemplo, el

sistema tipo bulbo en el que turbina y generador están encerrados en una cámara con

forma de bulbo aerodinámico, que en la parte posterior permite la interacción entre el flujo

de agua y los álabes. Tiene el inconveniente de que , para el manteniemiento o, en caso de

avería, hay que cortar el flujo de agua, con el fin de poder acceder al interior del

turbogenerador.

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FIGURA 101. TURBINA DE BULBO

Para evitar esto, en la central mareomotriz de Anápolis Royal, en Nueva Escocia, Canada, se

ha recurrido al modelo “ Straflo” de turbina ( turbogenerador de aro) en el que solamente

los álabes están sumergidos, mientras que el generador eléctrico queda en seco, ya que ésta

situado en el aro alrededor del rodete. Este tipo de turbina tiene el inconveniente de que es

de difícil control y uso cuando se trata de invertir el funcionamiento de turbina a motor

eléctrico, con el fin de bombear agua a un embalse situado a una cota superior.

FIGURA 102.TURBINA “STRAFLO”

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Otra alternativa es utilizar la configuración tubular de turbinas, en la que el eje, y por lo

tanto el rodete, se encuentran formando un ángulo con el flujo de agua. Esta posición

inclinada permite que la caja de engranajes y el generador eléctrico estén en seco y unidos

al rodete por medio de un largo eje.

FIGURA 103. TURBINA TUBULAR

Las velocidades de rotación que alcanzan los rodetes de las turbinas son relativamente

bajas, debido al bajo salto, lo que reduce el desgaste de las mismas, comparado con el que

sufren las turbinas utilizadas en centrales hidroeléctricas de mayor salto.

Por otra parte, la relación de engranaje necesaria para conseguir que el generador gire a las

1500 rpm, en que se obtiene máxima eficiencia y corriente alterna de la frecuencia

compatible con la red ( 50 ciclos) es muy elevada, lo que reduce su eficacia y conduce a

pérdidas de energía. Como el embalse formado durante la pleamar tiene que vaciarse

completamente, en las 4 o 5 horas de la bajamar, es necesario disponer de un número

elevado de turbinas que sean capaces de aprovechar un caudal, tan grande, especialmente

en centrales mareomotrices a gran escala. En el proyecto inglés para el río Severn, por

ejemplo, se prevé la utilización de 216 turbinas, cada una de 40 MW.

En generación de simple efecto, ya sea por inundación o a pleamar, esta gran capacidad

instalada sólo se utiliza durante un tiempo de tres a seis horas, durante cada ciclo de marea,

produciendo un pico de corriente durante un periodo que puede no coincidir con un pico

en la demanda. Este problema puede ser resuelto, en parte, recurriendo a una instalación de

doble efecto, la cual, al producir electricidad por inundación y a pleamar, utilizando para

ello turbinas reversibles, da lugar a una generación de varios picos menores de electricidad

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distribuidos de modo más uniforme a lo largo del día. Ello ocurre porque la instalación debe

prepararse para el ciclo de marea siguiente y no es posible aprovechar exhaustivamente las

fase de generación por inundación o a pleamar, sino que hay que abrir las esclusas para que

los niveles de agua sean los más adecuados para que la instalación funcione del modo más

eficiente durante el ciclo siguiente. Este sistema de generación de electricidad presenta el

inconveniente de que la turbina necesaria para este tipo de operación es más compleja y,

además el diseño de los álabes no puede ser optimizado para que realice un determinado

tipo de operación, sino que ha de dársele una forma de compromiso para que pueda

funcionar de modo reversible.

Otra estrategia que se puede intentar, con el fin de emplear el exceso de electricidad

generado sobre la demanda, es usarlo en una operación de bombeo por inundación. En

este caso , los turbogeneradores se hacen funcionar a la inversa, es decir, como motores-

bomba, utilizando para ello parte de la electricidad producida. Asi, se puede bombear agua

de nuevo hasta el interior de la presa, lo que constituye energía almacenada, que puede ser

utilizada durante la fase de generación a pleamar.

Otras soluciones propuestas recurren a sistemas de doble presa, lo que facilita el bombeo

entre las mismas y permite utilizar el agua almacenada en una de ellas durante intervalos de

demanda baja, para generar electricidad en los periodos de tiempos situados entre los dos

ciclos de marea.

FIGURA 104.SISTEMA DE DOBLE PRESA

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Los componentes fundamentales de las centrales mareomotrices son: turbinas, compuertas y

esclusas, y en ocasiones, pasos para embarcaciones, todo ellos unido a la costa por medio de

diques.

5.IMPACTO AMBIENTAL

La construcción de una presa en una zona de costa caracterizada por mareas económicamente

explotables puede tener efectos muy significativos sobre el sistema de la zona. No todos serían

necesariamente negativos, sino que determinadas formas de vida pueden ser favorecidas por

las nuevas condiciones que se crean.

Un efecto comprobado es que ,tras la construcción de la presa, el nivel máximo que alcanza el

agua disminuye y el nivel mínimo aumenta. Las corrientes serán menos intensas y la costa será

sometida a menores efectos erosivos, debido a que disminuye la intensidad del oleaje. Los

cambios introducidos en el lugar, durante el proceso de construcción y después, cuando la

central ya esté en funcionamiento, darán lugar a variaciones en la salinidad y en los sedimentos

en suspensión en las aguas. Estas variaciones pueden tener influencia en la ecología del

estuario, o de la ensenada en que se encuentre la instalación. Lo anterior pone de manifiesto la

importancia de realizar un detenido estudio ecológico del lugar antes de hacer una gran

inversión de capital, que puede tener efectos contraproducentes sobre le paisaje y la vida

animal. Además de estudios a escala, en estanque de laboratorio, se utilizan modelos

matemáticos para describir cómo evolucionarían los niveles de las aguas y las corrientes tras las

construcciones necesarias.

El impacto más importante se puede producir sobre las faunas piscícola y avícola,

especialmente en especies migratorias, como salmones o anguilas, o en aves zancudas y

limícolas, que suelen alimentarse de gusanos u otros invertebrados que viene en las zonas

fangosas que deja la marea al retirarse, las cuales podrían verse influidas por lo niveles

cambiantes de las aguas.

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Algunos efectos pueden ser positivos. Por ejemplo, al disminuir la intensidad del oleaje puede

disminuir la erosión y los sedimentos en suspensión que de ella se desprenden. Con ello la

turbidez del agua disminuye y , al penetrar la luz del sol a más profundidad, se incrementa el

efecto fotosintético, lo que da lugar a una mayor proliferación de algas y de vida vegetal marina,

que forman parte de la dieta de peces y de aves. Por lo tanto, algunas especies pueden resultar

favorecidas en su desarrollo, en detrimento de otras, mientras que unas pocas podrían no ser

capaces de encontrar su nicho ecológico en el nuevo ecosistema, por lo que podrían extinguirse

en esa zona. En resumidas cuentas, no es fácil prever las consecuencias que sobre la naturaleza

pueden resultar de la construcción de una central mareomotriz.

Consideraciones parecidas, igualmente contradictorias, pueden hacerse al analizar el impacto

visual sobre el paisaje y las ventajas que puede reportar la construcción de una presa en la

costa. El impacto visual suele ser menor que en las presas hidroeléctricas. La formación de un

lago y la subida del nivel mínimo de las aguas pueden favorecer un papel útil en la protección

contra inundaciones y maremotos, y mitigar los efectos de las tormentas sobre zonas costeras.

La existencia de una central mareomotriz produciría efectos sobre la economía local ,

generando empleo, al incrementar el turismo relacionado con deportes acuáticos. El dique de

contención puede suministrar un soporte para un vía de comunicación entre las dos orillas de

un estuario, lo cual puede ser interpretado como una ventaja adicional.

En todo caso, el planteamiento de la construcción de una central mareomotriz suele dar lugar a

resistencias sociales comprensibles, dado el alto preico ecológico que puede ser necesario

pagar por ello.

6. ELECTRICIDAD A PARTIR DE CORRIENTES DE MAREA

Una forma alternativa de aprovechar la energía de las mareas consiste en hacer uso de la

energía cinética del agua en puntos donde las corrientes de marea sean suficientemente

intensas para mover rotores de turbinas análogos a los que se utilizan en el aprovechamiento

de la energía eólica, anclados al fondo marino o fijos sobre soportes de hormigón cimentados

en los fondos. Esta forma de producir electricidad haría innecesaria la construcción de costosos

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diques en la costa y permitirá evitar graves problemas ecológicos que pueden acompañar a la

instalación de una central mareomotriz. La idea es particularmente interesante para

determinados puntos geográficos. Por ejemplo , en el canal del Norte del mar de Irlanda se ha

hecho una estimación según la cual la potencia desarrollada por la corrientes de marea puede

alcanzar los 3,6 GW.

VIDEOS RECOMEN DAD OS

- ENE RGI A MARE OMOT RIZ

http://www.youtube.com/watch?v=xdi_mE9iSzA