Energía undimotriz (I)

Introducción

La energía undimotriz u olamotriz, como algunos
la denominan, es la energía producida por el movimiento de
las olas.

La obtención de energía a partir de las
olas es de vieja data. Encontramos, por ejemplo, que en el siglo
XIX el español Don José Barrufet patentó una
máquina para el aprovechamiento de las olas a la que
denominó "marmotor" (figura 1).

La máquina estaba formada por una serie de boyas
que subían y bajaban con las olas, transmitiendo ese
movimiento a unos generadores eléctricos. Aseguraba que el
sistema era capaz de suministrar un mínimo de potencia de
0,36 kW.

Figura 1. Marmotor (Fuente
[1])

La mayor parte de la contaminación ambiental es
el producto de la quema generada por los combustibles
fósiles, tanto por los vehículos como por los
procesos industriales y la generación de energía
eléctrica.

La energía undimotriz se circunscribe en las
denominadas "energías verdes", "energías
alternativas", "energías renovables", debido a su poco o
ningún impacto ambiental. En este trabajo se hará
una descripción de los aspectos más importantes de
este tipo de energía.

Sistemas de
conversión de energía undimotriz
marina

Los dispositivos que permiten obtener energía
eléctrica de las olas se pueden clasificar en dos grupos:
fijos y flotantes.

• Dispositivos fijos.

Son los instalados a lo largo de la línea costera
(en la rompiente de la ola) o fijados al lecho marino en aguas
poco profundas. Algunas de sus ventajas sobre los dispositivos
flotantes están básicamente en el mantenimiento.
Una desventaja es la limitada cantidad de lugares para su
instalación. Normalmente son estructuras grandes y
pesadas. Ejemplo de estos equipos son:

Oscillating Water Column OWC (Columna oscilante
de agua): Cuando la ola entra en la columna obliga al
aire a pasar por la turbina e incrementa la presión dentro
de la columna. Cuando la ola sale, el aire pasa nuevamente por la
turbina y debido a la disminución de la presión de
aire en el lado del mar de la turbina. Se observa que sin
importar la dirección de la columna de aire, la turbina
gira en el mismo sentido. (Figura 2).

Figura 2 (Fuente [2])

TAPCHAN (Tapered Channel Wave Power
Device): Consiste en un embalse construido sobre un
acantilado que es alimentado a través de un canal
estrechado. Este estrechamiento genera un aumento de la amplitud
de la ola al acercarse a la pared del acantilado. Las olas
eventualmente se desbordan sobre las paredes del canal dentro del
embalse. La energía cinética de la ola que se mueve
se convierte en energía potencial cuando se almacena en el
embalse. Cuando el agua se descarga a través de una
turbina (Kaplan), se produce la generación de
electricidad. (Figura 3).

Figura 3 (Fuente [3])

WAVE ROLLER: Consiste en una placa atada
al fondo marino que oscila hacia adelante y atrás a
través de una bisagra con el movimiento de las olas
bajas.

La energía cinética producida se colecta
con una bomba de pistón y puede ser convertida en
electricidad mediante un generador unido al dispositivo o por un
sistema hidráulico cerrado en combinación con un
sistema de generador/turbina. Es un sistema modular (la capacidad
de la planta depende de la conexión de una cantidad
determinada de dispositivos o módulos). Por tanto, su
capacidad puede ser aumentada gradualmente. (Figura
4).

Figura 4 (Fuente [4])

Sistema SDE: Utiliza el movimiento de
las olas para la producción de presión
hidráulica para, con una turbina generar electricidad. El
sistema es optimizado según la velocidad envergadura,
profundidad, altura y caída de la ola, además del
flujo de retorno producido cuando la ola rompe. En la actualidad
funciona un sistema en Israel con un promedio de potencia de 40
kW. (Figura 5).

Figura 5 (Fuente [5])

Sistema CETO: Consiste en un conjunto de
boyas ancladas al fondo marino y sumergidas. El movimiento axial
de la boya se convierte en un bombeo que succiona agua de mar,
impulsándola a la costa y debido a la alta presión
con que llega, se mueve una turbina Pelton para la
generación de electricidad.

Actualmente se está perfeccionando el desarrollo
del sistema, contemplándose la instalación de una
granja submarina de boyas con CETO.

Otra opción que el sistema CETO presenta es la de
almacenar en tierra agua marina a objeto de ser desalinizada para
consumo humano. (Figura 6).

Figura 6 (Fuente [6])

Sistema SSG Wave Energy: Es un
convertidor de la energía de las olas basado en el llenado
de tres tanques, colocados uno sobre otro y que se llenan cuando
la altura de las olas sobrepasa las paredes de los tanques. La
energía potencial de esta agua almacenada es convertida en
energía cinética al pasar por una turbina, para
generar energía eléctrica. El uso de varios tanques
mejora notablemente el rendimiento, cuando se compara, por
ejemplo, con el TAPCHAN. Aun está en etapa de
diseño. (Wave Energy). (Figura 7):

Figura 7 (Fuente[7])

ORECON (columna de agua oscilante con
cámara de multiresonancia): El generador se
encuentra solidario a un flotador, el cual está anclado al
fondo marino. Posee una cámara en donde el agua sube y
baja como consecuencia del movimiento de las olas.

Debido a un sistema de válvulas, se obliga al
aire a pasar a través de una turbina siempre en el mismo
sentido, obteniéndose energía eléctrica de
ella.

Como el dispositivo no tiene partes móviles, es
sumamente robusto frente a los embates marinos. En la actualidad
se encuentra en etapa de desarrollo, esperándose que tan
sólo una unidad sea capaz de producir alrededor de 1 MW.
(Figura 8).

Figura 8 (Fuente [8])

• Dispositivos flotantes.

Los dispositivos de generación de energía
eléctrica undimotriz de tipo flotante son sistemas que
flotan en el océano cerca de la costa (offshore), sobre la
superficie o sumergidos. Los dispositivos más comunes
son;

Pelamis (Serpiente Marina): Es
quizás, uno de los dispositivos más ampliamente
exitoso y con un futuro brillante. Es una máquina
semisumergida y modular de forma que los módulos
están unidos con bisagras, cuyo movimiento es resistido
por arietes que bombean aceite a alta presión a
través de motores hidráulicos, acoplados a
generadores eléctricos.

El prototipo tiene un largo de 120 m de largo y 3,50 m
de diámetro, es capaz de generar una potencia de 750 kW
con tres módulos generadores de 250 kW cada uno. La
estructura se mantiene en posición por un sistema de
anclaje al fondo marino. (Figura 9).

Figura 9 (Fuente [9])

Salter Duck (Pato de Salter): Es un
sistema que rota con un movimiento de cabeceo a medida que pasa
la ola, bombeando fluido hidráulico para activar un motor
hidráulico acoplado a un generador eléctrico. Es un
dispositivo muy eficiente.

Se montan alineados con la cresta de la ola. El
dispositivo tiene la capacidad de convertir la energía
cinética y potencial de la ola en energía
mecánica, con lo que el nivel de absorción de
energía es alto (teóricamente sobre el 90%).
(Figura 10).

Figura 10 (Fuente[10])

Wave Dragon (Dragón de las olas):
Es un dispositivo flotante grande. Es una construcción con
un peso de unas 150 toneladas (más unas 87 toneladas de
agua en los reservorios), de 250 metros de largo, con un par de
aletas de unos 126 metros de largo que permite concentrar el agua
de las olas incidentes sobre la estructura hacia una rampa, para
ser almacenada a objeto de hacer girar una serie de turbinas
acopladas a generadores energía
eléctrica.

El agua se conserva a un nivel por encima de la
superficie del mar, lo que permite usar la energía
potencial para hacer girar las turbinas. (Figura 11).

Figura 11 (Fuente [11])

Archimedes Wave Swing (Oscilador de Olas de
Arquímedes) AWS: El principio de funcionamiento
del dispositivo se basa en el principio de Arquimedes para la
generación de energía eléctrica (250 kW por
unidad).

El aparato está formado por dos cilindros. El
inferior fijado al fondo del mar y el superior que se mueve
verticalmente según la incidencia de las olas.

En las paredes del cilindro superior están
fijados unos imanes, que se desplazan con su movimiento, a lo
largo de una bobina, para producir electricidad. El interior del
AWS está lleno de aire y cuando se mueve hacia abajo lo
presuriza, generando una reacción que hace que el mismo
suba cuando la presión de la ola disminuye. El AWS
está totalmente sumergido en el agua (40 a 100 metros) por
lo que no utiliza la ola superficial para la generación de
energía. En la actualidad se piensa en el montaje de un
conjunto de unidades para generar 50 MW. (Figura 12).

Figura 12 (Fuente [12])

Dispositivos de boyas: Son quizás de
los más comunes y fáciles de implementar.
Básicamente consiste en una boya que sube y baja con la
ola mientras una de sus partes se encuentra anclada, normalmente,
al fondo del mar. Este movimiento vertical hace que se produzca
la generación de energía eléctrica. Algunos
de estos dispositivos se muestran en las figuras
subsiguientes.

Power Buoy (Boya de
Energía): La energía AC generada se convierte
en DC de alta tensión y se envía a la costa a
través de cables submarinos. La figura muestra el
dispositivo denominado Power Buoy (Boya de Energía) de
Ocean Power Technologies (OTP), año 2005.

Un flotador en forma de disco reacciona
contra un cuerpo cilíndrico sumergido y terminado en su
borde inferior por una placa horizontal amortiguadora grande cuya
función es aumentar la inercia a través de la masa
agregada de agua circundante. El movimiento relativo entre ambos
cuerpos es convertido en energía eléctrica por
medio de un PTO (Power Take-off mechanism (mecanismo de toma de
potencia). (Figura 13).

Figura 13 (Fuente [13])

Searaser: El dispositivo aprovecha
la energía de las olas en la costa para bombear agua
tierra adentro, lo cual puede ser aprovechado para ser utilizada
para pequeñas centrales hidráulicas para la
generación de electricidad. El dispositivo no requiere
ningún tipo de aporte de energía eléctrica
exterior y utiliza la energía potencial, regresando al mar
el agua. Los costos de mantenimiento son muy bajos. Las pruebas
realizadas han obtenido elevaciones del agua de hasta 50 metros.
Actualmente se trabaja para lograr alturas de 200 metros. Otra
utilidad es la de usar el agua para su desalinización para
consumo humano. La figura 1.17 muestra un esquema de uno de estos
aparatos. (Figura 14).

Figura 14 (Fuente [14])

Se debe resaltar que estos no son los únicos
dispositivos capaces de obtener energía de las olas.
Existe una gran diversidad de modelos pero, básicamente
pueden ser ubicados en alguna de las dos clasificaciones
anteriores.

Conversión de
energía electromecánica

La conversión de energía
electromecánica relaciona el intercambio de energía
entre un sistema eléctrico y uno mecánico (Figura
15).

El acoplamiento se realiza mediante un
campo magnético. Este proceso es esencialmente reversible,
excepto por una pequeña cantidad de pérdidas como
calor.

Cuando se convierte energía
mecánica en energía eléctrica, el
dispositivo se denomina generador. Cuando es la energía
eléctrica la convertida en energía mecánica,
el dispositivo se denomina motor.

Establece que la potencia eléctrica
producida es igual a la potencia mecánica
producida.

Los generadores eléctricos y los
motores eléctricos constituyen un grupo de máquinas
denominadas Máquinas eléctricas.

Se dará mayor importancia en este
trabajo a los generadores porque se desea obtener energía
eléctrica a partir de las olas.

Figura 15

Máquinas
eléctricas

En 1831 Michael Faraday (Científico
inglés, 1791-1867) estableció con sus experimentos
la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday:
"La magnitud del voltaje inducido es proporcional a la
variación del flujo magnético".

Además, Heinrich Lenz (Físico
alemán, 1804-1865) formuló en 1834 la Ley de Lenz:
"La corriente debida a la fuerza electromotriz inducida (f.e.m.)
se opone al cambio de flujo magnético, tal que la
corriente tiende a mantener el flujo". Esto es válido para
los casos que;

La intensidad del flujo
varíe,

El cuerpo conductor se mueve respecto de
él.

Matemáticamente se expresa
como:

El valor negativo es debido a la Ley de
Lenz e indica que e se opone a la variación del flujo que
la produce.

En 1831, Faraday inventa el primer
generador eléctrico denominado dínamo de disco de
Faraday o dínamo de Faraday (Figura 16). El disco de cobre
o inducido (D) rota entre los polos de un imán permanente
en forma de herradura (campo magnético permanente) (A),
induciendo un flujo radial de corriente en el disco.

Figura 16 (Fuente [15])

La corriente fluye por el resorte del
contacto deslizante a lo largo del borde del disco, tornillo de
unión con el eje del disco para la entrada o salida de la
corriente (B), por un circuito externo, y de nuevo por el disco a
través del eje, tornillo de unión para la entrada o
salida de la corriente por la circunferencia del disco, mediante
el contacto deslizante m (B").

Con el dínamo de disco de Faraday se
generan enormes corrientes a muy bajo voltaje.

En 1832 el ingeniero francés
Hippolyte Pixii (1808-1835) construye un generador de corriente
alterna (dinamo), basado en el Principio de Inducción
Magnética de Faraday. Consistía en un imán
giratorio, operado con una manivela, donde los polos norte y sur
pasan sobre una bobina con núcleo de hierro, (Figura
1.20). Un pulso de corriente se produce cada vez que un polo pasa
sobre la bobina. (Figura 17).

Figura 17 (Fuente [15])

También descubrió que la
dirección de la corriente cambia cada vez que los polos
norte y sur pasan sobre la bobina, produciéndose
así, una corriente alterna.

A grandes rasgos, las máquinas
eléctricas (Figura 18) se pueden clasificar
como:

Figura 18

Normalmente son máquinas rotativas
pero, cada uno de esos tipos puede tener una
representación lineal. La siguiente figura muestra el caso
de máquinas eléctricas rotativas y una lineal.
(Figura 19).

Figura 19 (Fuente [16])

Figura 20 (Fuente [17])

La Figura 20 muestra un generador lineal
con estator externo (puede ser también interno) con las
bobinas y un translador interno formado con imanes permanentes y
con núcleo de hierro (puede ser también de aire).
El estator puede tener el núcleo de hierro o ser de
aire.

Dispositivos con boyas

Normalmente existe un dispositivo que
convierte la energía de las olas en energía
mecánica para luego, mediante un generador
eléctrico, convertir esta energía mecánica
en energía eléctrica; pudiendo usarse cualquiera de
los tipos mostrados (rotativo o lineal).

Sin embargo, en el caso particular de los
dispositivos que utilizan boyas para extraer la energía de
las olas, suele usarse de preferencia los generadores lineales
por su sencillez, entre otras razones, y porque el movimiento
ascendente-descendente de las olas puede ser acoplado
directamente al generador. En el caso del generador rotativo se
hace necesario un sistema mecánico intermedio (PTO) para
la transformación del movimiento de la ola en un
movimiento rotativo.

La Figura 20 muestra un sistema que posee
un generador rotativo, acoplado a un multiplicador para lograr
las altas velocidades que necesita el mismo. El volante de
inercia permite mantener la velocidad aproximadamente constante.
El movimiento vertical del pistón es transformado en
circular por el cigüeñal. Obsérvese las aletas
en la parte inferior del tubo; permiten concentrar las olas hacia
la boya.

Figura 20 (Fuente [18])

La Figura 21 muestra un generador lineal
directamente acoplado a la boya.

Figura 21 (Fuente [19])

Con el movimiento de la ola, la boya se
desplaza siguiéndola y a través de la línea
arrastra el translador (equivalente al rotor de las
máquinas rotativas) que normalmente está construido
con imanes permanentes. La parte exterior del generador
está formado con el devanado y es el estator, donde, de
acuerdo a la Ley de Faraday, se inducen las tensiones
aprovechables como generador. En la parte superior existen unos
resortes que permiten proteger al sistema contra oleajes
excesivos y en la parte inferior también se encuentran
unos resortes que impiden el descenso brusco pero ayudando al
translador en su movimiento descendente, con lo que no se deja al
mismo a merced de la gravedad.

La boya en este caso es un cilindro plano,
que garantiza que olas con alturas que tiendan a forzar el
translador más allá de lo permitido por los
resortes de tope, simplemente sea desbordada por tales olas,
garantizando la integridad del sistema.

Convertidor
undimotriz

Normalmente el proceso de conversión
de energía de las olas es como sigue (Figura
22):

Figura 22

El sistema consiste en una boya acoplada a un generador
lineal de imán permanente, de forma que el alternador
(pistón o desplazador) se mueve respecto al estator que
contiene el devanado trifásico.

Esta configuración genera voltajes y corrientes
variables en amplitud y frecuencia así como también
un cambio de fase cuando el generador se mueve en sentido
contrario. Esto se debe al movimiento aleatorio de las
olas.

Por consiguiente, se hace necesario el uso de un
convertidor AC/DC trifásico (rectificador), lo que permite
regular en cierta medida estas tensiones y corrientes
variables.

Esta tensión rectificada será transmitida
a tierra mediante un conductor eléctrico, cuyo calibre
podrá evaluarse en función de corriente,
tensión de trabajo y caída de tensión
producto de la distancia a recorrer.

Una vez que el conductor eléctrico llega a
tierra, la tensión DC es convertida en tensión AC,
mediante un convertidor DC/AC (inversor) trifásico, para
alimentar un transformador reductor trifásico para
adecuarla a los niveles estándar. La transmisión se
hará a una tensión adecuada de forma que permita
corrientes muy bajas para producir así, pérdidas
bajas en la impedancia del conductor.

El sistema podrá usarse de manera
autónoma, para alimentar cargas locales (sin
transformador), o ser incluido en un Sistema Interconectado (con
transformador).

Debe observarse que el convertidor AC/DC y el DC/AC
pueden estar ubicados cerca del sistema boya-generador,
sumergidos o dentro de la cubierta protectora del
generador.

Ventajas y
desventajas de la energía undimotriz

Entre las principales ventajas tenemos:

• La energía de las olas es gratuita. No
  es necesario algún tipo de combustible, y no produce
  residuos. 

• No es caro de operar y mantener la energía de
  las olas.

• Puede producir una gran cantidad de
  energía.

• Mantenimiento escaso.

• Poco o ningún impacto ambiental.

Entre las desventajas tenemos:

• Por su carácter aleatorio, la cantidad de
  energía obtenida dependerá de los
  parámetros de la ola.

• Es necesario un lugar adecuado para utilizar la
  energía del oleaje, donde las olas son generalmente
  fuertes. 

• Algunos diseños son algo ruidosos.  De
  hecho, también lo son las olas, por lo que cualquier
  ruido es poco probable que sea un problema. 

• Debe ser capaz de soportar condiciones
  climáticas muy difíciles.

• Implementación con altas inversiones
  iniciales. 

Conclusiones

• La energía undimotriz es una energía
  limpia, renovable, muy silenciosa y de poco o ningún
  impacto ambiental y visual.

• La viabilidad económica presenta unas
  inversiones iniciales altas y periodos de amortización
  altos. La misma depende de los niveles de las tarifas
  eléctricas.

• La energía se obtiene de forma local, por lo
  que es autónoma y continua.

• A pesar de lo relativamente nuevo de este tipo de
  energía, su evolución avanza rápidamente
  con la aplicación de las nuevas
  tecnologías.

• La maquinaria necesaria para convertir el lento
  movimiento de las olas en electricidad es costosa e implica
  inversiones adicionales como la logística para su
  construcción, operación y
  mantenimiento.

Referencias
bibliográficas

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de la Energía Solar (V). Instituto de Energía
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http://www.fotovoltaica.com/pioneros.pdf

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http://www.docstoc.com/docs/78207823/EC-Wave-Dragon-project

[12] AWS Ocean Energy Ltd. AWS Ocean Energy Ltd-Offshore
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[13] Ocean Power Technologies (OTP). 2005. En
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[15] Wikipedia. En línea:
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[16] Motor lineal. Wikipedia. En línea:
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[18] Indian Wave Energy Device (IWAVE). En línea:
http://waveenergy.nualgi.com/

[19] Falcao A. de O. Wave energy utilization: A review
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Superior Te´cnico, Technical University of Lisbon.
Lisbon, Portugal. Elsevier Ltd.. 2009.

Autor:

Ing. Felipe S. Vázquez D.

Instituto Universitario de Tecnología de
Valencia. Venezuela