Energía Maremotriz: El Fenómeno de las Mareas

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria

• El documento se titula "Energía Maremotriz" y es de Pedro Fernández Díez.

Energía Maremotriz

• La energía solar que incide anualmente sobre la superficie terrestre es del orden de 6.10¹⁴ MW hora.
• Los océanos actúan como sistemas colectores y de almacenamiento, manifestándose en olas, gradientes térmicos, gradientes salinos y corrientes marinas.
• La energía maremotriz se debe a la atracción gravitatoria de la Luna y el Sol, junto con la rotación de la Tierra, generando 3.10⁶ MW.

El Fenómeno de las Mareas

• La marea es la fluctuación periódica del nivel de los océanos, debida principalmente a la atracción gravitatoria de la Luna.
• La Luna ejerce una atracción 2,2 veces mayor que la del Sol.
• La aceleración que produce el efecto de marea aumenta con la masa y disminuye con el cubo de la distancia.
• Solo el Sol y la Luna son capaces de producir mareas apreciables debido a las distancias y las masas.
• Influye el Sol por su masa, la Luna por su proximidad a la Tierra.
• La masa del Sol es del orden de 27 millones la de la Luna, pero se encuentra 390 veces más lejos: la contribución del Sol a la marea es 27.10⁶/390³ = 0,45 veces la contribución lunar.
• El fenómeno de la marea es prácticamente idéntico, tanto si el punto está orientado hacia el astro como si está en la parte opuesta.
• La fuerza generadora de la marea Fa es pequeña, del orden de 10⁻⁷ veces la fuerza de gravitación.
• Fuerza de atracción Fa se descompone en dos:
  • Una vertical Fv que influye muy poco en la gravedad, del orden de 10⁻⁷.
  • Componente horizontal Fh comparable a otras fuerzas horizontales, actuando sobre grandes distancias y provocando el desplazamiento de masas de agua.
• La cantidad de agua del mar es constante, por lo que a una elevación corresponden descensos a 90º de diferencia en longitud.
• La fuerza centrífuga originada por la rotación de la Tierra es la misma en cualquier punto del planeta, aumentando la altura del nivel del mar que está más lejos de la Luna.
• La causa de las mareas deriva de la aplicación de las dos fuerzas, atractiva y centrífuga, que en el cdg de la Tierra se neutralizan.
• Cuando el astro está por encima del horizonte, la fuerza atractiva es más fuerte.
• Cuando el astro está por debajo del horizonte, predomina la fuerza centrífuga.
• Si la Tierra no girara alrededor de su eje, las mareas serían estáticas.
• Con la rotación de la Tierra, se obtienen dos pleamares y dos bajamares, conocido como marea de tipo semidiurno.
• Cuando el punto está en una latitud importante y el ángulo del astro con el Ecuador es elevado, solo hay una pleamar y una bajamar al día, conocido como marea de tipo diurno.
• Las mareas son las ondas más largas del océano, con períodos de 12 a 24 horas.
• Si el punto superficial está frente al astro, la atracción es mayor que la experimentada por el centro de la Tierra.
• Si el punto superficial está en la parte opuesta, predomina la fuerza centrífuga.
• Las masas de agua tienden a quedarse rezagadas respecto al centro de la Tierra.
• En ambos casos, el punto tiende a alejarse de la Tierra.
• Las mareas están sometidas a una fluctuación rítmica de su nivel y a una fluctuación en forma de corrientes.
• La corriente que acompaña a la pleamar se conoce como flujo.
• La corriente que acompaña a la bajamar se conoce como reflujo.
• Cuando el Sol, la Luna y la Tierra están alineados, las mareas son mayores y se conocen como mareas vivas (marea de sicigias).
• Si estos astros forman un ángulo de 90°, las mareas son más reducidas y se conocen como mareas muertas.
• La amplitud de una marea es extremadamente variable y puede ser nula en mares interiores, como el Mar Negro.
• Es de escaso valor en el Mediterráneo y el océano Pacífico.
• Se amplifica y alcanza valores notables en zonas de poca profundidad, costas con escasa inclinación o con configuraciones que originan interferencias.
• En el océano Atlántico se registran las mareas mayores.
• En la costa meridional atlántica de Argentina alcanza una amplitud de 14 m.
• En las bahías del Fundy, Canadá, las amplitudes medias superan los 15 m.
• En Europa, mareas significativas se encuentran en la Gran Bretaña y Francia.
• Dentro del estudio de mareas existen los llamados puntos anfidrómicos donde la amplitud de la marea es nula.
• El período de una marea es el tiempo entre dos pleamares o dos bajamares sucesivas.
• La marea evoluciona por la superposición de ondas diurnas y semidiurnas, con amplitudes máximas o mínimas cada 14,8 días.
• Las fuerzas atractivas se transmiten mediante ondas que se propagan de formas diversas, produciendo interferencias constructivas o destructivas, lo que explica las mareas diurnas y semidiurnas.
• Las ondas semidiurnas están influenciadas por la componente lunar (12,42 horas) y la solar (12 horas), lo que implica un retraso entre ambas de 50,5 minutos al día y se suman cada 7,4 días.
• Las ondas diurnas están influenciadas por componentes como la lunar diurna (25,82 horas), la solar diurna (24,07 h) y la onda de declinación mixta Luna-Sol (23,93 h).
• Las ondas diurnas son máximas cuando la declinación lunar es extrema y mínimas cuando la Luna está en el Ecuador.
• La onda total es la superposición de las anteriores, con períodos de hasta 24 horas o de 5 horas.
• En las mareas mixtas, la onda semidiurna puede predominar en las sicigias y la diurna en las cuadraturas.
• Amplitud máxima poco después de la fase de Luna nueva o luna llena y mínima poco después de los cuartos.
• Las ondas de carácter semidiurno predominan en las costas europeas y africanas del Atlántico y en América del Sur desde Venezuela a Brasil.
• Las de carácter diurno son más débiles (mar de Okhost, extremo sudoeste de Australia, golfo de México) con amplitudes máximas de 11,5 m.
• En casi todos los lugares restantes las mareas son mixtas.
• Análisis armónico: la variación del nivel del agua del mar se da por la suma de ondas senoidales del tipo: h = a cos(wt + q).
  • w depende de las condiciones astronómicas.
  • a es la amplitud de la marea.
  • p es la fase de cada onda.

Energía Potencial de las Mareas

• Existen pocos lugares donde es posible la explotación, requiriéndose una amplitud de marea mínima de 5 metros, una bahía o estuario amplio y facilidad para construir un dique.
• El estuario se llena en la pleamar y se vacía en la bajamar a través de turbinas.
• La energía teórica extraíble en un ciclo de marea es función de la superficie del embalse artificial A(z) y de la amplitud a de la marea
• La energía cedida por el embalse durante el vaciado en la bajamar es: Eembalse = γ ∫₀ᵃ A(z) z dz
• La energía cedida durante el llenado en la pleamar es: Emar = γ ∫₀ᵃ A(z) (a-z) dz
• La energía potencial estimada para un ciclo de marea de 6,2 horas es: E = Eembalse + Emar = γa ∫₀ᵃ A(z)dz = γaV = γa²A = 226 Aa² kW.
• z es la altura del agua embalsada.
• A es la superficie del embalse en km².
• V es el volumen del embalse en m³.
• Si el embalse se llena por pleamar y bombeo: Emar = γ ∫₀ᵃ A(z) (a-z) dz + y ∫ₐₐ* A(z) (z*- a) dz.
• Al turbinar el agua así almacenada se tendría la energía.
• La ecuación también podría ser expresada como: Ε = γ ∫₀ᵃ A(z) z dz + y ∫ₐₐ* A(z) z dz = ya (V + V*)
  • z* es la altura del agua embalsada con bombeo auxiliar.
  • a* es la altura máxima del embalse.
  • A(z*) es la superficie del embalse con bombeo.
  • V* es el volumen del embalse con bombeo.
• No se ha tenido en cuenta el rendimiento de la maquinaria ni el efecto del dique en la amplitud de la marea.
• Hay pocos lugares idóneos con amplitud de marea superior a 5 m, eliminando el 90% de la energía teórica disponible estimada en 3.10⁶ MW.
• La disipación de energía por rozamiento es del orden de 1 W/m².
• Una central maremotriz tiene un rendimiento máximo del 25%, implicando que solo se podrían aprovechar unos 75.000 MW.
• Suponiendo un funcionamiento de 12 a 14 horas al día, se vería reducido a 40.000 MW ó 1,75.10⁵ GWh al año, equivalentes al ahorro de 2,4.10⁸ barriles de petróleo.
• Potencia transmitida del océano Atlántico a la Mancha se ha evaluado en 180.000 MW y al Mar del Norte en 23.000 MW.

Potencial Teórico de las Mareas en Europa Occidental

• Reino Unido: recurso de 25,2 GW con una producción de 50,2 TWh/año, representando el 47,7% del total europeo.
• Francia: 22,8 GW y 44,4 TWh/año, 42,1%.
• Irlanda: 4,3 GW y 8 TWh/año, 7,6%.
• Holanda: 1 GW y 1,8 TWh/año, 1,8%.
• Alemania: 0,4 GW y 0,8 TWh/año, 0,7%.
• España: 0,07 GW y 0,13 TWh/año, 0,1%.
• Total Europa Occidental: 53,8 GW y 105,4 TWh/año.

Ciclos de Funcionamiento de las Centrales Maremotrices

• Los ejemplos más claros se basan en el almacenamiento de agua en el embalse que se forma al construir un dique, con compuertas y turbinas, en una bahía, cala ría o estuario.
• El agua que proporciona la ría prácticamente no interviene en la generación de energía.

Ciclos de Simple Efecto

• Se dispone de un embalse único.
• Generación durante el reflujo, llenado con compuertas abiertas y vaciado con turbinación.
• Generación durante el flujo, llenado con turbinación y vaciado con compuertas abiertas.
• Generan solo durante la bajamar o durante la pleamar.
• Las operaciones requieren de turbina hélice de flujo axial y alta velocidad específica.
• Durante el vaciado:
  • Se abren las compuertas cuando sube la marea.
  • Se cierran cuando empieza a bajar la marea, esperando 3 horas.
  • Se hace pasar el agua por las turbinas generando energía eléctrica durante 5 ó 6 horas.
• Energía generada en dos períodos de 10 a 12 horas al día.
• Turbinaje durante el llenado: tiempos de generación de 4 a 5 horas, tiempos de espera o bombeo de 3 horas (8 a 10 horas diarias).
• Centrales de Fundy y Kislaya.

Ciclos de Doble Efecto

• La generación de energía se efectúa con ambas mareas.
• Se exige que las turbinas operen eficazmente con un caudal determinado de agua en cualquier dirección.
• Se pueden utilizar turbinas reversibles o no reversibles.
• No reversibles: sistema de canales y compuertas complejo y caro.
• La energía utilizable es menor debido a diferencias de niveles menores entre el embalse y el mar.
• El factor de utilización es mayor, proporcionando un 18% más de energía.
• Los tiempos de funcionamiento son de 6 a 7 horas por marea (12 a 14 horas diarias), con tiempos de espera entre 2 y 3 horas por marea.

Ciclos de Acumulación por Bombeo

• Generan energía con ambas mareas y disponen de almacenamiento por bombeo. La turbina utilizada también funciona como bomba con los alternadores.
• El nivel de generación y la flexibilidad operativa se mejoran.
• Las turbinas tienen un coste mayor.
• Es más económico limitar la generación a la fase de reflujo.
• En la central de la ría del Rance, se impuso la utilización de las turbinas bulbo reversibles, siendo el turbinaje inverso reducido.
• Se diseñaron las turbinas Bulbo para poder ser utilizadas como bombas.
• El sistema de bombeo-turbinaje permite aumentar la generación en función de las necesidades de la red eléctrica.

Ciclos Múltiples

• Utilizan varios embalses continuo.
• Más caros, pues exigirían una obra civil muy costosa; se han hecho prácticamente inviables.
• El proyecto Cacquot en la bahía del Mt-St-Michel, implicaba diques de 55 km con alturas de 30 a 40 m.
• Almacenamiento en 2 estanques de 1100 km² generando entre 30 y 40 TWh/año.
• El proyecto Belidor, o Contentin Oeste, implicaba 2 estanques de 100 km².
• Longitud de diques de 69 km y una potencia instalada de 1440 MW y una potencia anual de 5300 GWh.

Proyectos y Realizaciones

• Estudio de viabilidad:
  • Longitud del dique
  • Superficie del embalse
  • Nivel mínimo del agua
  • Amplitud de la marea (factor más importante)
• Evaluar la rentabilidad exige optimizar y predecir las condiciones de funcionamiento.
• Tendencias de desarrollo: está influenciado por combinar la energía mareomotriz con otras tecnologías.
• Transporte de energía en corriente continua en alta tensión conexión de energía de las mareas generada en emplazamientos remotos.
• Aspectos económicos: Destaca el elevado coste del kW instalado.
• Los factores que inciden negativamente en el coste de la central es la construcción del dique.
• El bajo factor de carga estacional, es otro factor de coste elevado.
• En la operación y mantenimiento los costes son mas bajos.
• Es importante tener presente muchos efectos distintos a los energéticos para viabilizar el proyecto.
• Antecedentes: Uso de molinos de marea.
• Los primeros molinos marinos aparecieron en Francia.
• Hoy en día pueden verse algunos de estos molinos en las costas normandas y bretonas francesas, y en el Cantábrico.
• A finales del siglo XIX, el desarrollo de los sistemas eléctricos motivaron el abandono de las fuentes de energía de carácter local.
• Belidor estudió el problema del aprovechamiento de la energía, empleando dos cuencas.
• Otros ingenieros franceses proyectaron una central maremotriz en el estuario del Avranches.
• Otros países interesados fueron Estados Unidos y Canadá.
• Sus primeros estudios se remontan al año 1919.
• Luego deciden implantar una central maremotriz en la bahía de Fundy, en el río Annápolis. Contemplándose en este proyecto la introducción de los grupos Straflo con alternador periférico.
• Ventajas de la energía maremotriz: Es auto-renovable, no contaminante, silenciosa, bajo costo de materia prima, no concentra población y disponible en cualquier clima y época del año.

Desventajas

• Impacto visual y estructural sobre el paisaje costero
• Traslado de energía muy costoso.
• Efecto negativo sobre la flora y la fauna aunque con el tiempo aparecen nuevas especies, limitada etc.
• 1. Central del RANCE:
• La primera y única tentativa para el aprovechamiento de la energía de las mareas.
• En la ría del Rance, la amplitud de la marea puede alcanzar máximos de 13,5 metros.
• El volumen de agua es del orden de 20.000 m³/seg.
• Un dique artificial cierra la entrada de la ría y una esclusa mantiene la comunicación de ésta con el mar.
• Fue acabada en 1967 y funciona con un ciclo de doble efecto con acumulación por bombeo.
• Su dique tiene 700 m de largo, 24 m de ancho y 27 m de alto
• La central posee 15m de longitud y 10 de una esclusa que comunica para pequeños barcos la comunicación al mar.
• La potencia neta es del orden de 550 GWH.
• 2. Central de KISLAYA Ubicada en el mar de Bartenz; empieza a funcionar como planta piloto en 1968.
• Disponía de 1 turbina bulbo de 0,4 MW.
• Los módulos de la sala de máquinas y del dique fueron fabricados en tierra.
• La marea es semidiurna con una velocidad de 3,6 m/seg.
• Amplitud media de 2, 4 metros. Intervalo de 1,1 metros y 4 metros.
• 3. Central de la bahía de Fundy:
• Está ubicada en el río annápolis.
• La amplitud máxima de la marea puede alcanzar 15 metros.
• Se aprovecha con una turbina Straflo.
• Es axial, de 4 palas e incorpora un alternador periférico.

Innovación de Fundy Straflo

• Esta la turbina axial con rodete Kaplan consiste en que los polos magnéticos inductores están fijos en la periferia en los alabes.
• Asegura el aislamiento de la parte eléctrica del agua.

Especificaciones Fundy Straflo

• Q: 408 m3/seg
• Numero de palas 4
• Salto entre 1,4 y 7,1 metros.
• Atira nominal 5,5 metros
• max: 20MW- Nminal 1,3 MW ; 50 rpm
• Na max 22,35 mv: factor de potencia 0,9
• Frecuencia: 60 Hz ; # fases 3; numero de polos: 144.

Tabla 3: Centrales Mareomotrices

• Francia 1966 ; Planta Rance; ampltitud media de marea ; 17km a la 2; Potencia 240MW. . .
• Rusia 1968. : Kislaya Guba Amplitud media De marea 2,4 metros;superficie enbalzada 2km2; Potencia insalada 0, 4MW
• Canada. 1984 Aaanápolis Fundy : Amplitud media de marea 6, metro ; Superficie e,balzada 600 metros.
• Centrales en Estudio
• Proyecto de las islas Chausey; se encuentra en la bahía de Avranches; Francia

Centrales de estudio

• Kisayay situada en la pénislu de KOKA.
• Central de Bahía Mezen ;Amplitud de marea 9 metros.
• central de babia FUNDY : construcció de dique comercialmente viable en cuenca Minas.
• Amplitud medio ele nivel de las mare es 12 metro .flujo total de ampeas a 400 GH.
• .Central la bahía de Tucar: Amplitud de mea e 8 Metro .Genera 80 20 TW h año. .con embalse se 1850 kilometros.
• Utilizaría turbi Orotogeal a doble efecto .
• Central babia penzhinsk; idearon dos porjectopue fueron abandonados (6800 KM)
• Central la Estaurii SEVERN; cerca Bristol es16 metro .

Localizaciones de centrales mareomotrces

• Central del Golfo Jose: mayores mAreas concentran la la penísla Valdes.
• Los estrechos 5 a 9 Km de ancho actuano como un magnifique dique natural.
• Amplitud 5 ,) metro. Con desniveles podría lograr generar el 0GDble potencia instalanda
• Anteedentes de losgrupos utilizados en las centrales mareomtrice
• Los bulbos están el hecho furerom concebidos ser utilizadas las de grande caldales;
• El Flujo axial comorta serie ventaja.

Mejora distribució de vlocdades del ágva ; disminució perdidas .

• LAMEJORA DE Cavitaxion debida A Las condiciones del flujo .

Clasficacion Alternadores

• Grupos con el alternador al Exterior:
• Grupos con alternano la periferia.
• Grupos con atornador.con el interior .Son Los Que emplean atulamtne En las turbinas - .
• al Flizar la guerra mundial. Franca interesa por Adopció de grupo reversible para pequenos salto Su emple EN el funcinamiento
• -El tipo de función origino problem
• Paso delaguaaxial; Funcnamito dseno

Los pequeños y medios bulbos.

• Disposiicon función de diciones locales ; grupo sfión.
• los grupos EN Sión usados paras atos 3 metros potencia A disposición Noimpoe tene bulbos
• la Grupo s en campra .

Diseño Grupos Bulbo

• La 13 Busqued a turbo máquans q funione como turbin y bomba Ambios los dsensos Conducton Hidaulucas de formas smoles .de A umento Potentaespeifico. Trazda hidaulicas de los Grupos Bulbor-Lo que trata consegui aumentar .
• el Tudi aspiración de Enrgia.

Características

• Se obtiene reparto coreto.
• la Relacion en Diàmetros la realcion Diametros entrada ruedo es

La potencial de la Potencia Nomina de alternado Naat en que Deda la expreiosn

• El 3422 El 10 al El diamtero del estatur Viene al d la Turbina la potencia del alternador NO puediengso utilizar entilcion radial.

Altericones ambientales

• La taretin de sedeimento ; el 40 que 109 en sedient. .
• Eftects Positiv de proteion .parametros carcteristica .

La central mormatriz del reance

• Para la Opertivad ciclo doble .
• E 13 interioses
• E1 condutos Tronco conico .
• U 132 Turbia 3 turbomauin A. Operaciones turbing la funciaje a.
• El Sentido del Trasvalsimineto
• Bombeo Enrgia para Salito De alto 18metro turbinaj el
• El signo indica nive de del alto.

FUNCIONANIENTO REANCE ES

• Tablas Operaciones En 6.535 Hotas Fucionionanto
• 77 % en 10 de bombeo En

Las principales Operaciones Se

En LAS Estanque Dad El Arból; Corono 13

• En rotor del Alternador
• Los ensayes central funciana come barco esnaysos

Los principales problemas que detectaron para realizar este funcionamiento son:

• Comportamento de los materiales En Ls La juntas Para EVitar Se los juntas.
• Comportamento de los materiales En LS las juntas Para evitarls de preson y Se

Conclusión

El análisis realizado brinda información acerca de la energía marina que puede aprovecharse de forma renovable y poco contaminante.