Energía marina renovable, de la teoría a los proyectos reales

ENERGÍA MARINA RENOVABLE,
DE LA TEORÍA A LOS PROYECTOS REALES
Andrea Devis Morales, Oscar Álvarez & Andrés Osorio Arias
Grupo de Oceanografía e Ingeniería de Costas (OCEANICOS)
Facultad de Minas, Universidad Nacional sede Medellín
ENERGÍA MARINA RENOVABLE,
DE LA TEORÍA A LOS PROYECTOS REALES
CASOS DE ESTUDIO:
ENERGÍA TERMAL OCEÁNICA; UN ECOPARQUE DE
CIENCIA Y TECNOLOGÍA PARA LA ISLA DE SAN ANDRÉS
LA ENERGÍA DE GRADIENTE SALINO, DESDE LA
PERSPECTIVA GLOBAL HASTA EL GOLFO DE URABÁ
Modelación
Numérica
Oceanografía
Operacional
Energía Marina
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
Gestión Costera
Clima
Ingeniería de
Costas y Puertos
Ecosistemas
Marinos
RETOS
Alza en costo de
combustibles
Escasez de
Recursos
Cambio
climático
ENERGÍA
AUMENTO DE LA
DEMANDA 50%
PARA 2030
ALIMENTO
AGUA
AUMENTO DE LA
DEMANDA 50%
PARA 2030
AUMENTO DE
LA DEMANDA
30% PARA 2030
Fuentes: FAO,
IFPRI, IEA
POTENCIAL ENERGÉTICO MARINO
Las fuentes de energía renovable a partir del océano pueden eventualmente
proveer las necesidades de energía globales. Su utilización requiere de
tecnologías que convierten procesos como las mareas, corrientes, olas y los
gradientes térmicos y salinos en fuentes naturales de electricidad.
Los océanos…
Cubren más del 70% de nuestro planeta.
Son los colectores más grandes y más
eficientes de energía solar.
Absorben energía equivalente a 250
billones de barriles de petróleo cada día.
2010-2011: IDENTIFICACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DEL MAR EN COLOMBIA Y
ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS DE MEDICIÓN Y DE APROVECHAMIENTO PARA LA
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A NIVEL COMERCIAL
Mareas
Olas
Gradientes térmicos y salinos
Corrientes
Estudio patrocinado por:
PROGRAMA DE PRODUCCION
ECO-EFICIENTE DE ENERGIA;
CENTRO DE INVESTIGACIÓN E
INNOVACIÓN
EN
ENERGÍA
(CIIEN) DE EPM.
ENERGÍA TERMAL OCEÁNICA, UN ECOPARQUE DE
CIENCIA Y TECNOLOGÍA PARA LA ISLA DE SAN
ANDRÉS
GRADIENTE TÉRMICO OCEÁNICO
5°
10°
15°
20°
25°
30°
DT>20°C
TECNOLOGÍAS DE GRADIENTES TÉRMICOS MARINOS PUEDEN SER
APLICADAS PARA GENERAR GRAN VARIEDAD DE PRODUCTOS
Electricidad
Sol
Agua potable
Consumo
Riego
Agua cálida
OTEC
Agua descarga
DOW
Agua fría
maricultura
agricultura
microalgas
Sistema de
aire
acondicionado
SWAC
cosméticos
refrigeración
CONVERSIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA OCEÁNICA
Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC)
Habilita autosuficiencia energética
Sin necesidad de almacenamiento
Fácil conexión a la red existente
TURBINA
FLUIDO DE
TRABAJO
GENERADOR
CONDENSADOR
EVAPORADOR
BOMBA
• El agua cálida (>24°C) es usada para evaporar un fluido de trabajo con baja T°C
de evaporación (i.e. amoniaco)
• El vapor dirige una turbina que genera electricidad
• El agua fría (4°C) es usada para condensar el vapor
• El fluido de trabajo se usa nuevamente (Sistema Cerrado).
EL POTENCIAL : 30 TW de electricidad; 2 veces la demanda energética global
Planta OTEC de demostración, Holanda
Plantas piloto de 100kW en Kumejima y Okinawa, Japón
Planta flotante 1 MW, India, NIOT
Planta OTEC en NELHA
ENFRIAMIENTO DE EDIFICIOS Y DISTRITOS
Seawater Air Conditioning (SWAC )
25
20
15
10
5
0
O & M cost
Investment
Traditional
A/C
Hasta un 90% en ahorros energéticos
(por AC) comparado con sistemas
tradicionales hacen de esta una
tecnología muy atractiva.
SWAC
UTILIZACIÓN DEL AGUA PROFUNDA
Deep Ocean Water (DOW)
Sistema de acuacultura usando DOW en St. Croix
Usos de DOW en OTECA, Japón
Agricultura
Seawater Greenhouse
La compañía ‘Seawater Greenhouse’ implementó en Abu Dhabi, tecnologías para
habilitar el crecimiento de alimentos que de otra forma serían importados. Un
ejemplo de producción actual a través de estos sistemas habilita la producción de
alrededor de 750 toneladas/ha de tomates, pepinos u otros alimentos.
Cría de Peces
Acuacultura-Pisicultura
Cultivo de Algas
Producción de Agua Potable
Producción de agua a menores costos y menos
dependientes de costos eléctricos (1-2 kWh/m3)
en comparación con otros sistemas de
desalinización tradicionales (> 3 kWh/m3).
Ciclo de Desalinización Térmica a Bajas Temperaturas (LTTD)
ECOPARQUE OCEÁNICO
PARQUE TECNOLÓGICO Y DE CIENCIAS OCEÁNICAS NELHA
Vista Aérea del Parque NELHA (Natural Energy Laboratory Of
Hawaii Authority) en Kailua-Kona en Hawaii, USA
Azul-tuberías submarina; Verde-Área divida para industria
USOS DE TUBERÍAS DE AGUA DE MAR PROFUNDO EN JAPÓN
POTENCIAL EN COLOMBIA
Colombia tiene varios lugares
donde se puede aprovechar
el gradiente térmico marino.
La isla de San Andrés tiene
las condiciones técnicas y
económicas ideales para
aprovechar este recurso.
•
•
•
•
Disponibilidad de agua dulce limitada
Altos costos de electricidad (uso de AC)
Contaminación ambiental; plantas Diesel
Riesgos asociados con transporte y manejo de
combustibles
• Pocas oportunidades de empleo
• Indicadores negativos en desarrollo sostenible
• Incremento en el sector turístico pasando de un
promedio de 350.000 turistas anuales a 629.072
turistas en el año 2012
ESTIMACIÓN DEL POTENCIAL TÉRMICO EN SAN ANDRÉS
Requisitos para aprovechar el potencial:
Temperatura
superficial
promedio anual de 26°C
(rango entre 24°C y 28°C).
Temperatura del
agua profunda
4.5°C promedio anual, rango
de 4°C a 5°C.
Oleaje operacional
Hs de hasta 3.7 m y periodos
de 7.5 s.
Condiciones
extremas
hasta Hs= 6 m y periodos de
9.6 m; vientos de hasta 20 m/s
y corrientes < 1.5 m/s.
Distancia del agua
profunda
menor a 5 km de la costa
Otros factores
Poca probabilidad de
terremotos, huracanes y otros
desastres naturales.
Perfiles de temperatura mensual
climatológica (°C) de las aguas alrededor del
archipiélago de San Andrés. WOD09 (azul) y
Mercator (rojo)
BATIMETRÍA DE SAN ANDRÉS
Batimetría de la isla de San Andrés obtenida por interpolación óptima de Información
hidrográfica recopilada por la Armada Nacional de Colombia (Mapa COL-1624) y la batimetría
general de los océanos (GEBCO, 30 arcseg). Profundidad en metros
POTENCIAL OTEC EN SAN ANDRÉS
Series de tiempo de temperatura diaria usados para cálculo del potencial. Datos Mercator
VIENTO Y CORRIENTES EN SAN ANDRÉS
LA ENERGÍA DE GRADIENTE SALINO, DESDE LA
PERSPECTIVA GLOBAL HASTA EL GOLFO DE
URABÁ
¿Qué es la energía de gradiente salino?
Energía generada de la mezcla de aguas con diferente concentración de sales
Las dos tecnologías mas desarrolladas son
•
Osmosis de presión retardada (PRO)
•
Electrodiálisis inversa (RED)
El proceso es parte del ciclo natural del agua y no genera efluentes significativos
Se puede generar energía de forma continua y en configuraciones modulares.
¿Quiénes están investigando y desarrollando?
INES - Integrated Network for Energy from Salinity Gradient Power
Statkraft 2009
Planta PRO
REDStack – Wetsus 2014
Planta RED
¿Cómo se calcula el potencial y cuánta energía hay?
La energía teórica es la energía libre de Gibbs:
G = f (ΔS , T , V)
El potencial teórico global es de alrededor de 1.4 TW 1
El consumo mundial de energía es de 12TW 2
Equivale al 50% del consumo estimado de Europa en 2030 3
1
J.D. Isaacs, R.J. Seymour. International journal of Environmental Studies 4 (1973) 201-205.
M.I. Hoffert, K. Caldeira, G. Benford, D. Criswell. Science. 298 (2002) 981-987.
3 Osmotic Power Webinar, Infocast, April 7, 2010: http://www.infocastinc.com/index.php/conference/osmoticweb
2
¿Se puede generar esta energía en todas las
desembocaduras?
Río
Weser
Alemania
Mar
Mezcladas:
Altas fuerzas de marea
Bajas fuerzas de Caudales
Río
Mar
Magdalena
Colombia
Estratificadas:
Bajas fuerzas de marea
Altas fuerzas de Caudales
Sistemas de transporte más cortos implican
menores perdidas de energía
¿Cómo se relaciona el potencial, las perdidas, la
distancia, la marea, el caudal,….?
River mouth
Q [m3/s]
Congo
La plata
Nile
Rhone
Ebro
Niger
Brazos
42000
22000
1254
1693
424
1044
222
Mississippi
Po
Strymon
15360
1511
60
Delaware
Ems
Cape fear
Gironde estuary
Tweed
341
86
161
1000
78
Q min
[m3/s]
Feasible systems
75500
24700
22496
20714
1741
1034
2050
1150
662
135
1424
750
331
82
Partially feasible systems
57900
2830
2102
936
122
18
Non-feasible systems
629
178
154
34
730
15
1800
400
140
30
Q max [m3/s]
T [m]
h [m]
G [MW/(m3/s)]
1.1
1
0.2
0.4
0.2
0.8
0.5
400
20
6.5
9
5
10
10
2.55
2.55
2.55
2.54
2.12
1.49
1.28
0.3
0.5
0.3
12
4
3
0.49
0.43
0.19
1.7
2.3
1.3
3.3
3.3
7
9
11.6
8
7
0.10
0.10
0.08
0.08
0.07
POTENCIAL GLOBAL POR RÍOS
¿Cómo está Colombia en el contexto global?
G=f(
, ,
NASA
, ,
NOAA
);
)
RivDIS
AVISO
Potencial [MW/m3/s]
Caudal
Potencial [GW]
Marea
Atlantic Ocean
Atlantic Ocean
Gulf of Mexico
Gulf of La Plata
1.84
1.85
1.93
1.57
40193.0
25067.5
14794.9
17299.8
65.78
46.47
28.57
26.69
1.0
0.9
0.3
0.6
Magdalena Colombia
Caribbean Sea
1.93
7030.2
13.26
0.2
Xi Jiang
Yukon
Uruguay
Ogooue
Sepik
Godavari
Purari
Usumacinta
China
United States
Argentina
Gabon
New Guinea
India
New Guinea
Mexico
South China Sea
Bering Sea
Gulf of La Plata
Atlantic Ocean
Bismarck Sea
Bay of Bengal
Gulf of Papua
Gulf of Mexico
1.87
1.74
1.54
1.77
1.94
1.71
1.80
1.97
7084.8
6189.1
5456.6
4690.0
3758.4
3038.2
2304.3
2030.2
13.23
10.79
8.42
8.29
7.18
5.20
4.15
4.01
0.9
1.2
0.6
1.1
0.4
0.9
1.1
0.3
Atrato
Colombia
Caribbean Sea
1.86
2274.0
3.60
0.2
Rhine
Sanaga
Mahanadi
Rhone
Krishna
Po
Germany
Cameroon
India
France
India
Italy
North Sea
Gulf of Guinea
Bay of Bengal
Mediterranean Sea
Bay of Bengal
Adriatic Sea
1.57
1.68
1.72
1.88
1.74
1.81
2291.5
1995.2
1883.3
1692.9
1641.7
1514.6
3.59
3.35
3.23
3.18
2.85
2.75
0.4
1.2
1.2
0.1
0.8
0.4
Río
Congo
Orinoco
Mississippi
Parana
Pais
Congo
Venezuela
United States
Argentina
Cuenca
POTENCIAL GLOBAL POR RÍOS
¿Cómo está el Caribe en el contexto global?
G=f(
, ,
NASA
Río
Buyukmenderes
Limnitis
Nile
Vasilikos
Alexander
Soreq
Ceyhan
Assi
Rio Cobre
Struma
San Diego
Damuji
Paraiba do Sul
Yaque del Norte
Salado CU
Yaque del Sur
Nizaito
Gin Ganga
Rio Grande
Guantamo
Pais
, ,
NOAA
Cuenca
Turkey
Aegean Sea
Cyprus
Mediterranean Sea
Egypt
Mediterranean Sea
Cyprus
Mediterranean Sea
Israel
Mediterranean Sea
Israel
Mediterranean Sea
Turkey
Mediterranean Sea
Syria
Mediterranean Sea
Jamaica
Caribbean Sea
Bulgaria
Aegean Sea
Cuba
Caribbean Sea
Cuba
Caribbean Sea
Brazil
Atlantic Ocean
Dominican Republic Atlantic Ocean
Cuba
Caribbean Sea
Dominican Republic Caribbean Sea
Dominican Republic Caribbean Sea
Sri Lanka
Indian Ocean
Jamaica
Caribbean Sea
Cuba
Caribbean Sea
);
)
RivDIS
AVISO
Potencial [MW/m3/s]
Caudal
Potencial [GW]
Marea
2.10
2.08
2.08
2.08
2.08
2.08
2.08
2.08
2.05
2.05
2.03
2.03
2.03
2.03
2.03
2.02
2.02
2.02
2.02
2.02
98.5
0.4
1253.6
0.1
0.3
0.3
222.5
30.4
9.4
47.2
3.1
9.1
858.8
64.5
4.5
24.1
3.9
61.5
24.1
2.3
0.21
0.00
2.61
0.00
0.00
0.00
0.46
0.06
0.02
0.10
0.01
0.02
1.74
0.13
0.01
0.05
0.01
0.12
0.05
0.00
0.0
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.1
0.2
0.2
0.2
0.9
0.5
0.4
0.1
0.1
0.3
0.2
0.3
Potencial de Colombia
Potencial de Colombia
Métodos
• Variabilidad de los forzadores
Reina et al., 2013. El oceano Maravilla terrestre
no-ENSO year
Dry season
Rainy season
http://www.esrl.noaa.gov/psd/enso/mei/index.html
El Niño year
Dry season
Rainy season
La Niña year
Dry season
• Simulación hidrodinámica utilizando el modelo ELCOM 3D
• Un mes de simulación por escenario
• Eficiencia del 20% 1
1
P. Stenzel, H. Wagner. 3rd International Conference on Ocean Energy. (2010) 1-5.
Rainy season
Potencial de Colombia
no-ENSO year
El Niño year
La Niña year
River
mean
Dry
season
Rainy
season
Dry
season
Rainy
season
Dry
season
Rainy
season
Magdalena
3100
2780
3160
3190
3160
3170
3130
Dique
32
32
43
8
18
44
44
Atrato
19
7
37
7
27
8
28
León
38
38
38
38
38
38
38
TOTAL
3190MW
Se consideraron restricciones de
demanda local
Considerando que el 100% del caudal
medio multianual de los ríos se puede
utilizar para generar energía
Atrato
River
¿Cuánta agua se puede utilizar?
El caso del río León
Case 1
Day of the year
Case 2
Caso 1: 20% del caudal medio
– Qd=17.8 m3/s
– Qe 20 days/year
Caso 2: 50% del caudal medio
– Qd=44.4 m3/s
– Qe 100 days/year
Day of the year
Caudal ecológico: promedio de los mínimos diarios
anuales: 10.5 m3/s
Efectos en la salinidad según el factor de
extracción
Salinity differences (g/l)
Salinity differences (g/l)
Época
húmeda
Salinity differences (g/l)
Época
seca
Factor de extracción 50%
Salinity differences (g/l)
Factor de extracción 20%
Comentarios finales
no-ENSO year
River
mean
Dry season Rainy season
El Niño year
La Niña year
Dry season
Rainy season
Dry season
Rainy season
Magdalena
620
556
632
638
632
634
626
Dique
6.4
6.4
8.6
1.6
3.6
8.8
8.8
Atrato
3.8
1.4
7.4
1.4
5.4
1.6
5.6
León
7.6
7.6
7.6
7.6
7.6
7.6
7.6
TOTAL
638MW
• El mar Caribe es una de las cuencas oceánicas con mayor potencial de
generación de EGS.
• Colombia es el país con mayor potencial de la Cuenca Caribe
• El río León en el Golfo de Urabá es el sitio perfecto para la construcción de
una planta piloto.
• En el país se está generando conocimiento de punta en estimación de
potenciales de EGS.
• Falta mucho por hacer!
Líneas de investigación actuales
• Diseño y construcción de un reactor RED a escala de
laboratorio y adquisición de capacidades.
• Refinamiento del potencial global.
Andrés Osorio
• Pretratamiento de aguas.
[email protected]
• Impactos ambientales
en calidad
de agua y ecosistemas.
Andrea
Devis Morales
[email protected]
Oscar a
Álvarez
Planes
futuro
[email protected]
• Estudios de factibilidad, diseño y construcción de una planta
de prueba (en el Golfo de Urabá).
www.oceanicos.unalmed.edu.co