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CAPÍTULO 7Energía de los mares
MATERIAL DEL CAPÍTULO 7
Bibliografía
J. Twidell y T. Weir. Renewable Energy Resources.
Capítulo 12: Wave power, pp. 400-428.
Capítulo 13: Tidal power, pp. 429-452.
Capítulo 14: Ocean thermal energy conversion (OTEC), pp. 453-470.
Kaltschmitt, M., W. Streicher y A. Wiese. Renewable Energy Technology, Economics and Environment.
Anexo A: Harnessing Ocean Energy, pp. 497-510.
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ENERGÍA DE LOS MARES
Generalidades
Los océanos cubren el 70% de la superficie terrestre y contienen gran cantidad de energía en las mareas, olas y gradientes térmicos.
El movimiento de las olas y mareas puede convertirse en trabajo mecánico en turbinas para generar energía eléctrica.
También puede aprovecharse el gradiente térmico entre el agua de superficie y de las profundidades (OTEC).
La mayoría de las tecnologías aún están en desarrollo y unas pocas de ellas se han impuesto para generación en gran escala.
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Primeros desarrollos
Molinos de mareas
Los primeros registros datan del siglo XI
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ENERGÍA DE LOS MARES
Formas y orígenes
Mareas
Son producidas por la fuerza gravitacional de la luna y el sol
Formas de aprovechamiento
Amplitud de mareas o mareomotriz (energía potencial)
Corrientes marinas (energía cinética)
Olas
Son producidas por efecto del viento
Se puede aprovechar la energía cinética y potencial por diferentes métodos.
Gradiente térmico
Se aprovecha la diferencia de temperatura del agua entre la superficie y el fondo.
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AMPLITUD DE MAREAS (MAREOMOTRIZ)
Características
Sobre las costas, el nivel del mar aumenta y disminuye de manera periódica
Además del movimiento vertical, se produce un movimiento horizontal (corrientes de marea) caracterizado por un cambio de velocidad y sentido.
El agua de los mares se mantiene en contacto con la superficie terrestre por efecto de la fuerza de gravedad local.
La fuerza de atracción gravitatoria entre Tierra-Luna y Tierra-Sol, y su movimiento relativo, introduce una perturbación que da origen al movimiento de los océanos (mareas).
Pese a su tamaño relativamente pequeño, la proximidad de la Luna hace que tenga un mayor efecto que el Sol.
La relación entre la marea y el movimiento de la Luna se conoce muy bien, sin embargo el fenómeno de las mareas en un determinado lugar es complejo (fricción y resonancias).
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AMPLITUD DE MAREAS
Causa de las mareas
La Tierra y la Luna orbitan un baricentro común (indicado con O).
La masa de la Tierra es 81 veces mayor a la de la Luna, por lo que el movimiento de la Luna en torno a O es más evidente.
El balance entre las fuerzas de atracción gravitatoria entre ambos cuerpos y las fuerzas inerciales mantiene la separación
M L M L
L D L
ML D
M M
2 2
2
G M MM L M L
D
G = 6.674 10-11 Nm2/kg2
constante gravitacional
Revolution
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AMPLITUD DE MAREAS
Causa de las mareas (cont.)
Marea semidiurna
Un elemento de masa m en la superficie de la Tierra ubicado en Y tiene una menor fuerza gravitatoria que en el punto X (mayor distancia), pero una mayor fuerza inercial.
La fuerza resultante (suma vectorial de la fuerza gravitatoria y la inercial), en X apunta hacia la luna, y en Y en sentido opuesto. Las magnitudes de ambas son similares. El líquido de la superficie se mueve a causa de esta fuerza.
Si la Luna estuviera en el plano ecuatorial de la Tierra, X e Y tendrían los picos al mismo tiempo, y cada punto del mar tendría dos picos diarios de igual amplitud. La pleamar (nivel máximo) se produciría sobre el meridiano por el cual está pasando la luna y en el opuesto.
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AMPLITUD DE MAREAS
Causa de las mareas (cont.)
Marea semidiurna (cont.)
El Sol ejerce una fuerza de atracción que se superpone a la de la Luna., introduciendo una diferencia en la amplitud de las mareas.
En conjunción u oposición, las pleamares y bajamares son más amplias. Se denomina sicigia o marea viva (spring tide) y se dan en Luna nueva o llena.
En cuadratura (cuartos) las pleamares y bajamares son menos pronunciadas. Se denomina marea muerta (neap tide).
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AMPLITUD DE MAREAS
Marea semidiurna (cont.)
Período
Es de 12h 25min (en un lugar dado, el nivel se eleva durante 6h 12,5min y desciende 6h 12,5min)
Rango
Es la diferencia entre los niveles de pleamar y bajamar.
Varía durante el mes lunar (29.53 días).
Máximo: en luna llena y nueva (conjunción).
Mínimo en cuarto creciente y menguante (cuadratura).
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AMPLITUD DE MAREAS
Efectos adicionales
El movimiento de las mareas se ve modificado
El movimiento inducido por la luna al pasar por un meridiano está retrasado respecto a ésta y cada océano tiene su patrón específico.
Aparecen otras componentes frecuenciales porque la Luna en general no se encuentra en el plano ecuatorial de la Tierra, o la distancia a la Tierra varía.
Resonancias cerca de las costas. Dependiendo de la geografía el rango puede superar los 10m.
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AMPLITUD DE MAREAS
Lugares propicios
En algunos lugares el rango puede alcanzar los 6 a 10 metros.
Bahía de Fundy (Canadá)
Estuario del río Severn (Inglaterra)
Costa Patagónica (Argentina)
Bahía de Kislaya (Rusia)
La Rance (Francia)
Costa del Mar de Okhost (Japón)
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AMPLITUD DE MAREAS
Sistema de aprovechamiento de pileta simple
Unidireccional
Se llena el reservorio mientras la marea sube. Una vez que alcanza el nivel de pleamar, se cierran las compuertas de ingreso.
Las compuertas de la turbina se abren cuando baja la marea baja lo suficiente como para tener una presión hidrostática adecuada para generar con la turbina.
Bidireccional
Se genera en ambas direcciones, cuando se llena el reservorio y cuando se vacía.
Se requieren turbinas reversibles (requieren mayor presión hidrostática, es decir mayores rangos).
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AMPLITUD DE MAREAS
Sistema de aprovechamiento de pileta simple (cont.)
Máxima potencia media teórica con operación bidireccional (se genera dos veces por cada marea, T = 6.2h)
2 2W/m2
P gR
A T
2 2 21025 9.810.225 W/m
2 6.2083 3600
PR R
A
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AMPLITUD DE MAREAS
Sistema de aprovechamiento de pileta simple (cont.)
Características
La potencia real es del 25-30% de la máxima teórica. Debido a las pérdidas por fricción y al rendimiento de las turbinas/generadores
Si el tiempo de generación se hace muy corto para aprovechar la máxima diferencia de presiones (rango) el conjunto turbina-generador es muy grande y se utiliza en intervalos de tiempo muy reducidos.
Los picos de generación se van corriendo de un día a otro. Aunque son periódicos, no coinciden con los picos de demanda.
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AMPLITUD DE MAREAS
Sistema de aprovechamiento de pileta simple modulada
Corrige parcialmente las deficiencias de la pileta simple
C: compuerta cerrada
G: compuerta abierta
E-F: compuerta abierta, turbina con bypass
aprox. lineal
1y aR
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2 20.225 W/m ,P
RA
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1 2 2 1
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cos cos
0.5061 h6.2083
aa
AMPLITUD DE MAREAS
Sistema de aprovechamiento de pileta simple modulada (cont.)
Características
La potencia es significativamente menor que con pileta simple pero genera de manera más uniforme y con menor presión hidrostática.
La altura promedio es menor y como la potencia es proporcional al cuadrado de ésta, el conjunto turbina-generador es más pequeño pero funcionan más tiempo.
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AMPLITUD DE MAREAS
Sistema de aprovechamiento de pileta doble
Se puede despachar
Las turbinas se ubican en el dique B.
El tamaño de las piletas debe ser relativamente grande para que al vaciarla no cambie significativamente la altura hidrostática.
Turbinas más pequeñas y generación sostenida.
Obras civiles muy importantes impactos elevados.
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AMPLITUD DE MAREAS
Centrales en operación
La Rance (St. Malo, Francia)
Fue por mucho tiempo la mayor planta este tipo en el mundo.
240 MW instalados, 600 GWh/año
Funciona desde 1967.
El rango de mareas es de los más grandes del mundo (máximo de 13.5 m).
Reservorio de 22 km2 capaz de contener 180 millones de m3 de agua.
En los períodos de pico pasan 18.000 m3/s de agua.
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AMPLITUD DE MAREAS
Centrales en operación
La Rance (cont.)
Para realizar las obras civiles se bloqueó el estuario con una estructura de 750 m de largo y 13 m de alto.
Demandó 25 años de estudio y 6 años de construcción.
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AMPLITUD DE MAREAS
Centrales en operación
La Rance (cont.)
Turbinas
De tipo bulbo, operan en ambas direcciones. El conjunto turbina-generador está herméticamente protegido dentro del bulbo.
Tiene 24 conjuntos de 5.3 m de diámetro, 470 ton, y 10 MW.
Para incrementar el tiempo de operación también funcionan como bombas. Cuando el mar alcanza el nivel del reservorio se bombea agua para incrementar el nivel y generar por más tiempo.
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AMPLITUD DE MAREAS
Centrales en operación
La Rance (cont.)
Turbinas
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AMPLITUD DE MAREAS
Centrales en operación
Sihwa (Corea del Sur)
254MW, 10 turbinas de bulbo unidireccionales de 25.4MW
Inaugurado en agosto de 2011, utiliza una barrera de 12.5km construida en 1994 para mitigar inundaciones.
552 GWh anuales
Reservorio de 30km2
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AMPLITUD DE MAREAS
Centrales en operación
Annapolis (Nueva Escocia, Canadá)
20MW y 80-100MWh dependiendo del rango
Rango promedio de 7m. No es el mayor de la región (Bahía de Fundy)
Proyecto piloto construido entre 1980 y 1984
Con todas las compuertas abiertas circulan 400 m3/s
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AMPLITUD DE MAREAS
Centrales en operación
Annapolis (cont.)
Turbina unidireccional de 7.6m de diámetro y 148 tn, se genera sólo en la dirección que vacía el reservorio (10 hs diarias, 5 hs por marea)
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AMPLITUD DE MAREAS
Otros tipos de turbinas
Turbina Rim
El eje del generador está en el interior del dique, a 90º de la turbina
Turbina tubular
El generador está en el interior del dique, gran longitud del eje, ubicación inclinada.
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AMPLITUD DE MAREAS
Evaluación del recurso en Argentina
La amplitud de mareas en la Patagonia es de las más grandes del mundo.
Alcanza cerca un máximo de 12 m en la Bahía Grande (Sta. Cruz).
Las alturas de marea disminuyen hacia el norte, pero en los golfos de San José y Nuevo (Pla. Valdéz), los máximos son más elevados.
Además se da un fenómeno de origen topográfico que produce un desfase horario constante entre las alturas de mareas de ambos golfos.
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AMPLITUD DE MAREAS
Proyectos en Argentina 1915-1919. Trabajos del Cap. José A. Oca Balda
1922. Estudios del Dr. Damianovich y del Ing. Besio Moreno
1923-1925. El Pres. Alvear designa una Comisión Honoraria
1948. Estudio del Ing. Juan Carlos Erramouspe. Estudio de Grupo Francés de Ingeniería (*)
1950. Informe del Ing. José Richterich (*)
1957-1959. Estudios de la firma Sogreah (*)
1959. Propuesta del Ing. Loschakoff
1960. Propuesta del Ing. Miguel Rodríguez
1972. Estudio del Ing. Fenteloff
1975. Ley 20.956, Prop. por Agua y Energía(*)
1984. Estudio de los Ings. Aiskis y Zynglermaris
Fuente: M.R. Chingotto, “Energía Mareomotriz. ¿Sí? ¿Dónde? ¿No? ¿Por qué? Conclusiones”,
Boletín del Centro Naval, No. 813, pp. 101-107, enero/abril 2006
(*): estudios que involucraban
vincular los golfos
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