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3 Energía Undimotriz

El análisis de los dispositivos para la captación de energía undimotriz es una tarea compleja debido a la gran variedad de modos de funcionamiento propuestos. Existen miles de patentes de dispositivos de energía de las olas 1980 se habían registrado más de mil patentes en todo el mundo (Falcao, 2008). En el periodo 2000-2007 se registró una cantidad de patentes similar, fundamentalmente en Japón, EE.UU. y el Reino Unido.

Además estos dispositivos se encuentran en diferente fase de desarrollo, algunos no han pasado de la patente, otros se encuentran verificándose mediante simulaciones numéricas, varias decenas se están probando en tanques a escala y una veintena ha realizado pruebas a escala en mar, mientras que solo dos tecnologías se han probado a escala real.

3.1 Clasificaciones La dispersión tecnológica existente y su diferente grado de desarrollo hacen difícil el ejercicio de comparación y selección. Para ello se comienza este capítulo presentando los principales criterios para la clasificación de estas, así como una breve de cada una.

3.1.1 Distancia a la costa

Los dispositivos de energía de las olas pueden ser clasificados en función de la profundidad a la que son instalados. Esta puede ser dividida en tres zonas, aguas profundas, aguas intermedias y profundidades reducidas, tal y como se muestra en la Figura 17

Figura 17.- Distintas zonas para el estudio de las olas. [García, 2007]

Su distinción se basa en la teoría lineal, concretamente en función de la longitud de onda y la profundidad.

3.1.2 Los principios de captación

Podemos clasificar los dispositivos de energía de las olas en función del mecanismo efectivo por el que absorben la energía de estas.

Esta clasificación se divide de tres grupos principales, columna de agua oscilante (CAO), rebosamiento y movimiento oscilatorio [Falçao, 2010].

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Columna de agua oscilante

Este tipo de dispositivos consisten en una cámara de aire semisumergida abierta por la parte inferior y superior. El modo de funcionamiento es el mostrado en la Figura 18, con la ola incidente la columna de agua de la cámara asciende, y se genera un flujo de aire que es expulsado por la abertura superior, donde se encuentra alojada una turbina neumática. Tras esto, con el paso de la ola, la propia columna interior desciende, creando una depresión interior que genera de nuevo un flujo de aire, en este caso, entrante en la cámara a través la abertura superior y atravesando de nuevo la turbina.

Este flujo de aire bidireccional es convertido en un movimiento rotativo unidireccional a través de la turbina que está debidamente diseñada a tal efecto, ya sea mediante alabes simétricos o auto-rectificables, de manera que se mantenga el sentido de giro independientemente del sentido del flujo del aire.

Figura 18.- Sistema de columna de agua oscilante

Este tipo de principio de captación suele ser implantado, como se muestra en la anterior figura, en instalaciones en la línea de costa o rompe olas, como los casos Pico o Limpet, y Mutriku o Sakata respectivamente.

No obstante, también han sido desarrollados dispositivos flotantes para su instalación lejos de la costa, en ellos, la cámara de aire es sustituida por una cavidad cilíndrica donde se produce la ascensión y descenso de la columna de agua.

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Figura 19.- Boya de columna de agua oscilante (BBDB). [Falçao, 2010]

Ejemplos de este tipo son Backward Bent Duck Buoy (BBDB), mostrado en la Figura 19, el Mighty Whale, Ocean Energy, Sperboy y Oceanlinx.

Rebosamiento

Este principio puede entenderse como la transferencia al mar de la generación hidráulica convencional. Los dispositivos están diseñados con rampas por la cuales ascienden las olas incidentes hasta alcanzar un reservorio de agua en la parte superior.

Este agua almacenada se conduce a través de una turbina hidráulica conectada a un generador que se encarga de producir electricidad. La instalación puede estar dotada de más de un reservorio de agua, a distintos niveles, y de varias turbinas.

Este tipo de principio puede ser empleado tanto en instalaciones en la linea de costa como en plataformas flotantes alejadas de la costa, como la mostrada en la Figura 20.

Figura 20.- Ejemplo de dispositivo de rebosamiento flotante. [Cruz, 2008]

Algunos ejemplos de instalaciones en línea de costa son el dispositivo Tachan o SSG, y en estructuras flotantes, el caso más representativo es el Wave Dragon, mostrado en la Figura 21.

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Figura 21.- Dispositivo Wave Dragon en el mar.

Movimiento Oscilatorio

En este principio se aprovecha el movimiento relativo entre las partes del dispositivo en alguno de los grados de libertad posible. Dicho movimiento está, obviamente generado por el oleaje.

Figura 22.- Movimientos relativos provocados por el oleaje.

Dentro de este grupo, los dispositivos pueden ser divididos por el tipo de movimiento concreto que aprovechan como se muestra en la Tabla 7.

Tabla 7.- Tipos de dispositivos de movimiento oscilatorio

Movimiento vertical flotante

Movimiento vertical sumergido

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Movimiento articulado flotante

Movimiento articulado sumergido

Los dispositivos se encuentran normalmente diseñados para aprovechar sólo uno de los movimientos, aunque existen casos, como el Pelamis (Figura 23), pensado para aprovechar tanto el movimiento vertical (heave) como el balanceo (sway), o el Manta-SeaRay (Figura 24), que aprovecha el movimiento vertical (heave) y el de oleada (surge), aumentando así los niveles de energía absorbidos.

Figura 23.- Dispositivo Pelamis flotando en el mar Figura 24.- Esquema del dispositivo Manta-SeaRay

Bajo este principio de captación es donde más conceptos y desarrollos se han realizado en el ámbito de la energía de las olas, debido a la amplia variedad de configuraciones. Además del citado Pelamis, dispositivos como Arquímedes Wave Swing (AWS), Aquabuoy, Wavebob o Snapper.

3.1.3 Los sistemas de conversión

Una vez absorbida la energía de la ola, necesitamos un nuevo paso para su conversión en energía eléctrica, y este puede realizarse a través de diversos sistemas que se explicaran brevemente a continuación y se encuentran esquematizados en la Figura 25.

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Figura 25.- Clasificación de los sistemas de conversión.

Los sistemas de conversión son normalmente conocidos como Power Take Off, o PTO’s.

Turbina neumática

Este tipo de PTO es el usualmente utilizado en instalaciones de columna de agua oscilante, donde mayor desarrollo de dispositivos de energía de las olas se ha producido.

Fue la primera tecnología que se empezó a desarrollar. Las turbinas neumáticas acopladas a un generador eléctrico convencional forman el PTO completo [Mamun, 2004].

La turbina Wells de flujo axial (inventada en 1970) tiene la ventaja de que su sentido de giro es independiente del sentido del flujo de aire que la atraviesa, condición impuesta por el principio de captación de columna de agua oscilante. Por tanto, es el tipo de turbina que se ha utilizado para la mayoría de prototipos, además de por la citada característica, porque trabaja a elevadas velocidades de giro (1000-1200 rpm) incluso con bajos caudales de aire, debido a sus grandes diámetros, lo que permite el uso de generadores eléctricos baratos y el almacenamiento de energía mediante volantes de inercia. Presentan, además, una alta eficiencia máxima y una construcción relativamente barata [Neumann, 2007].

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Figura 26.- Esquema de trabajo de una turbina Wells

No obstante, con el avance en las investigaciones, se han propuestos otros tipos de turbinas para su instalación en dispositivos de columna de agua oscilante. Las principales características de estas son mostradas en la Tabla 8.

Tabla 8.- Comparativa de las características de las distintas turbinas

Circuito Hidráulico

Con este principio de conversión se transforma el movimiento de un cuerpo en energía hidráulica mediante uno o varios pistones que alimentan a una bomba conectada a un generador eléctrico rotativo.

Este sistema es bastante apropiado para el recurso undimotriz, ya que es capaz de absorber grandes esfuerzos a bajas velocidades, como son los esfuerzos característicos del oleaje.

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Los circuitos hidráulicos incluyen además un sistema de acumulación de gas que permite el almacenamiento de energía durante un corto periodo, pero se consigue homogeneizar la producción.

Los sistemas hidráulicos son equipos muy compactos que presentan un equipamiento convencional, por lo que son baratos de producir y mantener, y a regímenes de trabajo nominales presentan una buena eficiencia, aunque esta desciende a cargas parciales [Rodrigues, 2008].

Por contraposición, los dispositivos montados con este tipo de PTO necesitan unas exigentes condiciones de estanqueidad para limitar los riesgos de contaminación, también puede contrarrestarse este riesgo mediante el empleo de fluidos biodegradables.

Figura 27.- Esquema de trabajo de un circuito hidráulico

En la Tabla 9 se muestran los principales dispositivos que usan PTO de circuito hidráulico.

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Tabla 9.- Dispositivos con PTO de circuito hidráulico

Turbina hidráulica

La tecnología de los PTO de turbina hidráulica es muy similar a la empleada en la generación hidráulica tradicional, por su similitud operativa, como ya se comentó en los principios de captación.

Se pueden utilizar dos tipos de turbinas, dependiendo del tipo de instalación en la que se implemente. Si esta trabaja bajo el principio de rebosamiento, normalmente suelen ser empleadas turbinas que trabajan con bajas presiones y grandes caudales, sin embargo, si trabajan mediante un pistón que inyecta agua es común el uso de turbinas de alta presión (Figura 28).

Figura 28.- Esquema de trabajo de una turbina de alta presión (izqda) y baja presión (dcha)

Las eficiencias de ambos tipos de turbinas son muy altas, alcanzando valores cercanos al 90%, debido a que es una tecnología en un estado de madurez muy desarrollado [Setoguchi, 2000].

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Este valor de eficiencia se da para condiciones nominales de trabajo, por lo que se busca el acople del dispositivo al oleaje para trabajar lo más cerca posible de dichas condiciones.

Los dispositivos con PTO de turbina hidráulica suelen contar con una cierta acumulación de agua, lo cual permite regular el caudal y por tanto controlar la producción de energía eléctrica [Setoguchi, 2002].

A continuación, en la Tabla 10,se muestran los distintos dispositivos que usan turbinas de uno u otro tipo en función del principio de captación bajo el que trabajan.

Tabla 10.- Dispositivos que emplean turbinas hidráulicas

Transmisión mecánica directa

Los sistemas de transmisión mecánica se llevan empleando durante mucho tiempo en otros sectores industriales, por ello representan una alternativa viable para la conversión de energía undimotriz.

Su desarrollo viene basado en la idea de eliminar cuantas más etapas intermedias en el proceso de generación mejor, evitando así las perdidas asociadas que hacen disminuir la eficiencia global en la conversión.

Las principales ventajas que presentan son las siguientes:

• La gran variedad de elementos mecánicos (engranajes, levas, etc.) hacen que sea posible diseñar un sistema de transmisión mecánica adecuada para cada dispositivo.

• El rendimiento del sistema es bueno siempre que el mantenimiento sea el adecuado.

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• Es una tecnología altamente estandarizada, lo que implica que los costes estén acotados.

La mayor desventaja que presentan es la existencia de un número considerable de elementos móviles, lo que puede implicar unas necesidades de mantenimiento superiores a las de otros PTO [Lendenmann, 2007]

La Figura 29 muestra distintas tipologías de transmisión mecánica directa que pueden darse.

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Figura 29.- Posibles tipologías de transmisión mecánica

En estos sistemas, el movimiento lineal vertical del oleaje es convertido en un movimiento rotativo con el que es accionado un generador.

El caso más extremo abarcado dentro del concepto de accionamiento directo, también llamado direct-drive, son los generadores eléctricos lineales, donde no es necesaria esta conversión del movimiento lineal a rotación, permitiéndose niveles aún más elevados de la eficiencia.

El uso, desarrollo y comparación de los sistemas de accionamiento directo, tanto lineal como rotativo será el eje central del análisis en el siguiente capítulo, ya que la eliminación de las etapas intermedias en el proceso de generación lo convierte en el sistema más eficiente, y por tanto, con mejores características para su uso en dispositivos de energía de las olas.

Podemos por tanto resumir de manera comparativa mediante la Tabla 11 los diferentes sistemas de conversión.

Tabla 11.- Comparación por tipos de PTO

Propiedades / Sistemas de conversión

Turbina neumática

Circuito Hidráulico

Turbina Hidráulica

Accionamiento directo

Rango de potencias (kW)

400 - 2500 150 - 1000 100 - 350 1 - 500

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Propiedades / Sistemas de conversión

Turbina neumática

Circuito Hidráulico

Turbina Hidráulica

Accionamiento directo

Eficiencia media 0.35 - 0.6 0.5 - 0.8 0,9 0.8 - 0.9

Adecuado para: Elevadas velocidades

Grandes fuerzas

Grandes fuerzas

Grandes fuerzas

Tamaño Grande Pequeño Grande Grande

Sistema de almacenamiento

energético

Disco de inercia

Tanques de aire o aceite a presión

Reservorios de agua

Discos de inercia (generador rotativo)

o Supercondensadores

(Gen. Lineal)

Número de componentes

Elevado Elevado Medio Bajo

3.1.4 Forma geométrica

Con respecto a la forma geométrica del dispositivo flotante, estos son típicamente clasificados como terminador, atenuador y absorbedor puntual Figura 30.

Los absorbedores puntuales son usualmente axisimétricos con respecto al eje vertical, el cual es relativamente pequeño con respecto a las dimensiones horizontales de la ola incidente.

Figura 30.- Clasificación de los dispositivos por su forma geométrica. [Cruz, 2008]

Los atenuadores y terminadores tienen una dimensión predominante dentro del plano horizontal de incidencia del oleaje. Los atenuadores están alineados con respecto a la ola y tienen una luz mucho menos que su longitud, mientras que los terminadores están posicionados de manera perpendicular.

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3.2 Retos Un dispositivo de energía de las olas adecuado debe superar con éxito una serie de desafíos tecnológicos impuestos por el hostil ambiente marino.

Diseño. Para operar de manera eficiente una planta desde el punto de vista mecánico y eléctrico, un dispositivo de energía de las olas deben estar diseñado de modo optimo a los niveles de energía del oleaje predominante (por ejemplo en el Reino Unido esto sería 30 a 70 kW / m). Sin embargo, el dispositivo también tiene que soportar grandes olas que se producen sólo en raras ocasiones y estos podrían tener niveles de potencia de más de 2 000 kW / m. Esto plantea un reto importante, ya que el nivel de energía al que se produce, y que genera los ingresos, es relativamente bajo, mientras que el costo de capital se debe a la estructura civil que está diseñada para soportar los niveles de alta energía de las olas extremas

La variabilidad de niveles de potencia de onda. Las olas varían en altura y el período de un ciclo a otro y también para diferentes estados del mar. Los niveles medios de potencia del oleaje se puede predecir de antemano utilizando satélites para observar las olas mar adentro, el cual llegará cerca de la costa en las próximas 24-48 horas. Sin embargo, las variaciones a corto plazo (del orden de minutos) tienen que ser amortiguadas para obtener una salida eléctrica suave si se pretende que esta sea inyectada a la red eléctrica. Esto normalmente requiere algún tipo de almacenamiento de energía o etapa de suavizado.

La variabilidad en la dirección de las olas. Normalmente, las olas en alta mar viajan hacia un dispositivo de energía de las olas con un rango de direcciones, por lo que este tiene que ser capaz de hacer frente a esta variabilidad, ya sea a través de anclajes o por simétrica. Otro método es colocar el dispositivo de energía de las olas cerca de la orilla, ya que el oleaje se difracta cuando se acercan a una línea de costa, por lo que la mayoría acaban viajando en ángulo recto con la línea de costa

Movimiento del oleaje. Para producir energía eléctrica útil, la oscilación relativamente lenta de las olas (normalmente ~ 0.1 Hz) debe ser transformado en una salida unidireccional que accione a su vez los generadores eléctricos a cientos de revoluciones por minuto, lo que requiere de un mecanismo de engranaje o el uso de una transferencia de energía intermedia.

Fiabilidad. Como ha sucedido en la industria de energía eólica marina, el mantenimiento y reparación en el mar es una tarea costosa. Además, muchos dispositivos no pueden ser reparados en el mar, y requieren de su traslado a tierra. Esto supone un gasto considerable y la pérdida de producción, en parte porque los buques utilizados son los empleados por la industria de petróleo y gas, lo cual supone unos elevados costos. Esto lleva a algunas empresas tecnológicas a considerar el despliegue de una embarcación especialmente diseñada, mejorando así las condiciones de mantenimiento. Sin embargo, la clave del éxito pasa por dispositivos de energía de las olas que alcancen altos niveles de fiabilidad, y por tanto, baja necesidad de mantenimiento.