Proyecto Asier
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INGENIERITZA GOI ESKOLA TEKNIKOA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA BILBAO PROYECTO DE ENERGÍAS RENOVABLES EN EL MAR: VALIDACIÓN DEL USO DE CÓDIGOS CFD EN EL DISEÑO DE PLATAFORMAS MEMORIA Alumno Máster Fecha Firma Tutor del proyecto Alberto Peña Bandrés de Celis Hernández, Asier Ingeniería energética sostenible Septiembre 2015 Directora Raquel Idoeta Hernandorena Curso Académico 2014/2015 “Siempre que te pregunten si puedes hacer un trabajo, contesta que sí y ponte enseguida a aprender cómo se hace.” Franklin D. Roosevelt Agradecimientos En primer lugar me gustaría expresar mi agradecimiento a todas aquellas personas que me han apoyado para poder completar este trabajo: A todos los profesores que han colaborado directamente e indirectamente en formarme y desarrollarme. Gracias en especial a Raquel y Alberto por su implicación. Agradecimientos a Imanol Touzón, mi tutor, quien me ha guiado y ayudado durante todo el proyecto, resolviendo mis dudas y ofreciéndome siempre las mejores explicaciones. No quisiera olvidarme de mis compañeros, y en especial de Pablo y Peio, que además de ser buenos profesionales, también son estupendas personas. Mención aparte para mi familia quien me ha apoyado siempre y que seguramente que sin su apoyo incondicional no habría llegado hasta donde estoy. Gracias por no dejar que nunca me conforme y haberme animado siempre a seguir. Finalmente agradecer con todo mi cariño a Yagmur Polat por escucharme y animarme en los momentos más difíciles, demostrándome una vez más que los límites los ponemos allá donde llega nuestro esfuerzo. Contenido 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 1 2. ENERGÍA OCEÁNICA ........................................................................................... 2 2.1. Energía de las corrientes ................................................................................ 3 2.2. Energía Azul o potencia osmótica................................................................... 8 2.3. Energía térmica oceánica o maremotérmica ................................................... 9 2.4. Energía Mareomotriz .................................................................................... 10 2.5. Energía undiomotriz o de las olas ................................................................. 12 3. ANTECEDENTES DE LA ENERGÍA UNDIOMOTRIZ .......................................... 16 4. OBJETIVOS ........................................................................................................ 17 5. BENEFICIOS TÉCNICOS, ECONÓMICOS Y SOCIOAMBIENTALES ................. 18 5.1. Beneficios técnicos ....................................................................................... 18 5.2. Beneficios económicos ................................................................................. 19 5.3. Beneficios socioambientales ......................................................................... 20 6. PERSPECTIVAS DE EVOLUCIÓN TECNOLÓGICA ........................................... 21 7. ENERGÍA UNDIOMOTRIZ................................................................................... 21 7.1. Las olas ........................................................................................................ 22 7.1.1. Parámetros de las olas.............................................................................. 22 7.1.2. Movimientos de las olas ............................................................................ 23 7.1.3. Fenómenos principales de las olas. .......................................................... 24 7.1.4. Según la ubicación de los dispositivos ...................................................... 26 7.1.5. Según el comportamiento dinámico .......................................................... 26 7.2. Obtención de energía mediante atenuador ................................................... 26 7.3. Obtención de energía mediante el efecto Arquímedes ................................. 28 7.4. Obtención de energía mediante rebalse ....................................................... 29 7.5. Obtención de energía mediante absorbedor de punto .................................. 31 7.6. Comparaciones ............................................................................................ 32 7.7. Centros tecnológicos de pruebas.................................................................. 33 7.8. Potencial de la Energía Marina en España ................................................... 35 7.9. Análisis de coste ........................................................................................... 36 8. RESULTADO FINAL y ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN ...................................... 38 9. CONCLUSIONES ................................................................................................ 44 10. LÍNEAS FUTURAS........................................................................................... 46 11. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 47 Ilustraciones Ilustración 1 : Mapa a escala real del mundo y distribución del agua y tierra ................ 1 Ilustración 2: Circulación del aire en la Tierra ............................................................... 2 Ilustración 3: Clasificación aprovechamiento de la energía del mar y cuantificación del recurso ......................................................................................................................... 3 Ilustración 4 : Turbinas de tipo Lànstrøm ...................................................................... 4 Ilustración 5: Seagen .................................................................................................... 5 Ilustración 6: Proyecto "Sabella" ................................................................................... 6 Ilustración 7: Turbina THAWT ....................................................................................... 6 Ilustración 8: Sistema Biowave ..................................................................................... 7 Ilustración 9: Biostream ................................................................................................ 8 Ilustración 10: Planta de osmosis.................................................................................. 9 Ilustración 11: Esquema de una central de energía termo-oceánica ........................... 10 Ilustración 12: Planta de Energía Mareomotriz La Rance (Francia) [13] ..................... 11 Ilustración 13: Proyecto de Energía Mareomotriz MeyGen (Escocia) .......................... 12 Ilustración 14: Distribución mundial media anual de la energía de las olas en mar abierto (kW/m) ............................................................................................................ 13 Ilustración 15: Distribución europea media anual de la energía de las olas en mar abierto (kW/m) ............................................................................................................ 13 Ilustración 16: Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo ............................ 20 Ilustración 17: Estado de desarrollo y madurez de las distintas tecnologías de aprovechamiento de energías del mar ........................................................................ 21 Ilustración 18: Generación de una ola ......................................................................... 22 Ilustración 19: Parámetros de las olas ........................................................................ 23 Ilustración 20; Movimientos de una ola ....................................................................... 24 Ilustración 21: Fenómenos producidos en las olas ...................................................... 25 Ilustración 22: Clasificación de los convertidores ........................................................ 25 Ilustración 23: Clasificación de los convertidores de energías del mar según su ubicación .................................................................................................................... 26 Ilustración 24: Sistema Pelamis .................................................................................. 27 Ilustración 26: Funcionamiento del sistema de generación del Pelamis ...................... 28 Ilustración 27: Sistema de generación de energía mediante el efecto Arquímedes .... 28 Ilustración 28: Funcionamiento del sistema de generación de energía mediante el efecto Arquímedes ...................................................................................................... 29 Ilustración 29: Sistema de generación de energía Wave Dragon ................................ 30 Ilustración 30: Funcionamiento del sistema de generación Wave Dragon................... 30 Ilustración 31: Sistema de generación de energía Powerbuoy .................................... 31 Ilustración 32: Funcionamiento del sistema de generación Powerbuoy ...................... 32 Ilustración 33: centros tecnológicos en España .......................................................... 35 Ilustración 34: Potencia media (kW/m) anual en litoral español .................................. 35 Ilustración 35: Coste teórico y real de electricidad en instalaciones de energías del mar. ............................................................................................................................ 37 Ilustración 36: Distribución del capex de un sistema de olas y un sistema marino de corrientes .................................................................................................................... 37 Ilustración 37: S.3 Traslación del cilindro en Z ............................................................ 39 Ilustración 38: S.3 Velocidad del cilindro en Z ............................................................. 39 Ilustración 39: S.3 Aceleración del cilindro en Z .......................................................... 40 Ilustración 40: Detalle gráfica de aceleración .............................................................. 40 Ilustración 41: Análisis de la simulación con respecto a un MAS ................................ 41 Ilustración 42:Comparación de la simulación con la TFP ............................................ 42 Ilustración 43: Flujo turbulento y laminar ..................................................................... 42 Ilustración 44: Flujo rotacional .................................................................................... 43 Ilustración 45: Gráfica Wall Y+ .................................................................................... 43 Ilustración 46: Vórtices generados .............................................................................. 44 Ilustración 47: Residuales ........................................................................................... 45 Tablas Tabla 1: Comparación de los distintos dispositivos ..................................................... 33 Tabla 2: Tamaño de la malla....................................................................................... 38 Tabla 3: Potencia empleada ....................................................................................... 38 1. INTRODUCCIÓN Los océanos son una de las fuentes de energía no convencionales más importantes que existen en nuestro planeta, debido a su magnitud y a su ilimitado alcance, aunque se han realizado pocos estudios que nos permitan desarrollar esta alternativa energética, actualmente existen en muchos países algunos logros al respecto en donde las características morfológicas son propicias para su utilización [1]. Recurriendo a un mapa a escala real podemos apreciar como el planeta tierra en su mayoría está formado por agua. La proporción de tierra es de un 25% frente un 75% que suma las aguas. Por lo que el agua especialmente de los océanos supone una gran fuente de energía de origen renovable Ilustración 1 : Mapa a escala real del mundo y distribución del agua y tierra La distribución en cuanto a las aguas supone un 3.41% agua continental (lagos, ríos acuíferos) y hielo polar frente a un 96.51% agua oceánica [2]. 1 Las olas de los mares y océanos son un derivado terciario de la energía solar, pues la radiación solar incide sobre la superficie de la Tierra y provoca un calentamiento desigual de la misma, produciendo en la atmósfera zonas con distinta presión, lo que produce desplazamiento de aire de un lugar a otro, es decir, generando vientos. Dichos vientos, los que al desplazarse sobre la superficie del mar llevan a cabo un rozamiento de las moléculas de aire con el agua, transfiriendo a esta parte de su energía y generando las olas. Las olas actúan como un acumulador de energía pues almacenan y la transportan de un lugar a otro sin apenas pérdidas, lo que da lugar a que la energía de las olas que se producen en cualquier parte del océano acabe en las costas [1]. Ilustración 2: Circulación del aire en la Tierra 2. ENERGÍA OCEÁNICA Los océanos cubren alrededor del 75% de la tierra, actúan en el mundo como sistemas colectores de energía y que puede ser almacenada como energía térmica o energía cinética y también en un porcentaje menor como energía química y productos biológicos [3]. A pesar de que el potencial energético del mar es enorme, el aprovechamiento de las energías del mar están en una etapa relativamente temprana de desarrollo tecnológico, en comparación con otras fuentes renovables, lo que unido a las características intrínsecas del mar, hacen que para el aprovechamiento de esta fuente de energía no se haya impuesto una tecnología concreta y que exista una amplia y diversa variedad de dispositivos en diversos grados de desarrollo que deberán confirmar su viabilidad en los próximos años. El potencial mundial estimado de producción anual de energía eléctrica procedente de las energías del mar es de 120.000 TWh/año. Según fuentes de la Agencia Internacional de la Energía, el potencial de producción anual según las distintas 2 tipologías de aprovechamientos de energías del mar se puede ver en el siguiente esquema [4]: Ilustración 3: Clasificación aprovechamiento de la energía del mar y cuantificación del recurso A raíz de la crisis energética de 1970, una serie de programas de investigación y desarrollo en las energías del mar se establecieron a nivel internacional, pero estos esfuerzos no fueron sostenidos y durante la década de los 80 y 90 la innovación en este sector fue muy limitada. En la última década, la combinación de la necesidad de encontrar una fuente extensa de energía limpia y los nuevos conocimientos en ingeniería marítima ha provocado un renovado interés en las energías del mar, lo que ha llevado a un resurgimiento de la actividad de innovación y la aparición de diseños de múltiples prototipos. Estos proyectos han sido llevados a cabo inicialmente por la mediana y pequeña empresa en consorcios con las universidades, aunque las grandes empresas privadas y los programas público-privados a gran escala están cada vez más implicados. El interés internacional y la actividad de desarrollo ha crecido rápidamente en los últimos años, y más de una docena de países tienen ahora políticas de apoyo específico para el sector de la energía del mar. Además, centros de pruebas a escala real se han establecido en el Reino Unido, España y Europa continental, y nuevos centros de pruebas están en construcción en los EE.UU. y Canadá. Además, este interés internacional y su crecimiento han conducido a la elaboración de normas internacionales específicamente para las energías del mar A continuación se explicarán los distintos tipos de energía de los océanos con el fin de diferenciar la gran variedad de formas existentes para la obtención de energía del medio mencionado. 2.1. Energía de las corrientes Las corrientes marinas suponen un recurso energético, de enorme potencial, que proporcionan un flujo energético constante y predecible, a diferencia de otros sistemas. Las corrientes marinas son causadas principalmente por la subida y 3 bajada de las mareas generadas por las interacciones gravitacionales entre la tierra, la luna en mayor medida y el sol en menor medida, que hacen que fluya todo el mar. Otros efectos, como las diferencias regionales en la temperatura y la salinidad y el efecto de Coriolis debido a la rotación de la tierra son factores importantes que contribuyen en las corrientes marinas La energía cinética de las corrientes marinas se pueden convertir en su mayor parte, al igual que una turbina eólica extrae energía del viento, utilizando varios tipos de rotores de flujo abierto [5]. En Europa se han identificado más de 100 lugares con corrientes marinas importantes. El potencial energético se estima en 48 TW/año, equivalentes a una potencia instalada de 12,5 GW con los factores de capacidad esperados. Los emplazamientos más prometedores están en el Reino Unido, Irlanda, Francia, España, Italia y Grecia. Existen zonas que ofrecen potencial para extraer de más de 10 MW/km2. Hay varios diseños que se han planteado para la obtención de las energías de las corrientes. Entre ellos podemos destacar algunos proyectos que se están realizando y que son de gran interés para el desarrollo del proyecto. Escocia e Irlanda La idea es sumergir en cada una de las tres instalaciones situadas en las costas escocesas e irlandesas 20 turbinas de tipo Lànstrøm, diseñadas por la empresa noruega Hammerfest Strøm y capaces de funcionar a 100 metros de profundidad. Sus 30 metros de alto y sus palas de 20 metros de longitud permiten a esta turbina desarrollar un megavatio (MW) de potencia. Por lo que sus 60 MW totales podrían suministrar electricidad a 40.000 hogares [6]. Ilustración 4 : Turbinas de tipo Lànstrøm 4 Irlanda del Norte Cerca de la costa de Strangford Lough, en la orilla más oriental de Irlanda del Norte, la empresa Marine Current Turbines está finalizó en 2008 la instalación de la primera turbina comercial que aprovecha la energía mareomotriz. SeaGen, que es el nombre del coloso de 43 metros de punta a punta y 1.000 toneladas de peso, dispone de dos rotores de 16 metros de diámetro y genera una potencia de 1.2 MW, suficiente para abastecer 1000 hogares [7]. Ilustración 5: Seagen Francia La turbina "Sabella" lleva un lastre que le permite permanecer anclada al fondo del mar a unos 20 metros de profundidad. Mide unos 5,5 metros de alto (3 de la hélice) y girará sólo a unas 50 revoluciones por minuto para producir directamente electricidad a 50 herzios, gracias a la instalación de 100 polos. La innovación consiste en la eco-compatibilidad de "Sabella": En lugar de tener que girar a 30.000 revoluciones por minuto, girará de manera estable y lenta. Según cálculos de la compañía esto les permitirá producir 5.000 megavatios en tres emplazamientos calificados de muy propulsivos, lo que representaría nada menos que 25 teravatios/hora, un 5% de la producción de energía francesa en la actualidad [8]. 5 Ilustración 6: Proyecto "Sabella" Proyectos vanguardistas Turbina THAWT Un grupo de ingenieros de Oxford han diseñado un nuevo tipo de turbina de mareas que promete ser mejor que los actuales sistemas disponibles en la actualidad. La turbina de eje horizontal transversal agua o THAWT es una turbina bajo el agua en la forma de un rotor cilíndrico que rueda alrededor de su eje, después de la marea del agua. De acuerdo a la fuente, se puede usar más agua entrante y, por lo tanto, se puede acumular más energía. Una sola THAWT es 60m de largo y 10m de diámetro. Conexión de dos de los cilindros junto con un generador en el medio podría generar 12MW de potencia, suficiente para alimentar a 12.000 hogares. Además de ser capaz de producir más energía que otros sistemas de turbinas, los costes de fabricación también se reducen en un 60 por ciento, mientras que los costes de mantenimiento se reducen en un 40 por ciento [9]. Ilustración 7: Turbina THAWT 6 Biowave El bioWAVETM está siendo desarrollado para la producción de energía de la red a gran escala a partir de las olas del mar. Su diseño inspirado en la naturaleza (biomimetismo) combina alta eficiencia de conversión con la capacidad de evitar excesivas fuerzas de las olas, lo que permite el suministro de energía eléctrica conectada a la red a un precio competitivo por MWh. El bioWAVETM está diseñado para funcionar con ondas de olas del océano, con objeto de absorber la energía tanto en la superficie como por debajo. Es un dispositivo montado en el fondo marino, que se extiende por toda la profundidad. El prototipo bioWAVETM actualmente en desarrollo funcionará a una profundidad de 30 metros, mientras que el modelo comercial 1MW planeado funcionará donde la profundidad es 40-45M [10]. Ilustración 8: Sistema Biowave Biostream El bioSTREAMTM está siendo desarrollado para la producción de energía de la red a gran escala de las corrientes de marea. Su diseño inspirado en la naturaleza (biomimetismo) combina alta eficiencia de conversión con la capacidad de alinear de forma continua con la dirección actual. El bioSTREAMTM emplea un sistema patentado hidroplano oscilante para extraer energía del agua en movimiento. Para los sitios que tienen una velocidad de corriente máxima de 2,5 m / s, o mayores, el bioSTREAMTM ofrece una fuente segura para el medio ambiente y la viabilidad comercial de la electricidad [10]. 7 Ilustración 9: Biostream 2.2. Energía Azul o potencia osmótica La energía azul u osmótica es la energía obtenida por la diferencia en la concentración de la sal entre el agua de mar y el agua de río con el uso de la electrodiálisis inversa (o de la ósmosis) con membranas de iones específicos. El residuo en este proceso es agua salobre, es decir, agua con sales disueltas. La mezcla de agua dulce procedente de los ríos con el agua salada del océano libera altas cantidades de energía. Cuando se pone una membrana semipermeable (es decir, un membrana que retiene los iones de sal pero permite el paso del agua) entre dos tanques que contienen agua dulce y agua salada respectivamente, se observará un flujo neto de agua hacia el lado del agua salada. Si el tanque de agua salada tiene un volumen fijo la presión se incrementaría hasta un máximo teórico de 26 bares. Esta presión es equivalente a una columna de agua de unos 270 metros de altura. La energía proveniente del agua a presión disponible puede ser usada para generar energías renovables amigables con el medio ambiente. Esto ocurre si la mezcla puede hacerse controlando la presión en el lado del agua salada. El proceso se denomina presión osmótica retrasada (PRO) y es un proceso técnicamente viable, aproximadamente la mitad de la energía teórica puede ser transformada en energía eléctrica, haciendo de la energía azul una nueva fuente de energía renovable [11]. 8 Ilustración 10: Planta de osmosis Como en tecnologías comunes, el costo de la membrana supone una importante barrera. La aparición de un tipo nuevo de membrana barata, basada en un plástico eléctricamente modificado del polietileno, puede suponer para estos proyectos una oportunidad para su desarrollo comercial. El gradiente salino de los mares es la tecnología más nueva y por lo tanto menos madura dentro de las posibilidades de aprovechamiento de las energías del mar. Para su avance habrá que superar las dificultades de instalación, pues requieren emplazamientos con la presencia simultánea de agua dulce y salada. Para el desarrollo de esta tecnología es preciso afrontar aún un esfuerzo para alcanzar la escala comercial competitiva. Su futuro tecnológico se basa en mejorar distintos aspectos como el desarrollo de membranas competitivas, certificaciones de procesos competitivos y escalados a grandes plantas comerciales. 2.3. Energía térmica oceánica o maremotérmica La energía termo-oceánica, más conocida como energía térmica oceánica, está basada en la obtención de la energía procedente de los océanos debido a la diferencia de temperaturas. Existen varios lugares de interés donde se alcanzan sensibles variaciones de temperaturas como en: Las zonas tropicales donde la temperatura oscila en torno a los 20 grados entre la superficie y los 100 metros de profundidad. En las zonas árticas y antárticas donde estas diferencias de temperaturas pueden ser mayores. Pero el gran obstáculo que se presenta es la utilización 9 de instalaciones que puedan intercambiar el agua a mayor profundidad, legando a alcanzar profundidades de 1000 metros [12]. Ilustración 11: Esquema de una central de energía termo-oceánica En las centrales maremotérmicas o de ciclo OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) se transforma la energía térmica en energía eléctrica utilizando el ciclo termodinámico de Rankine en el que se emplea calor para evaporar un líquido, que posteriormente se utiliza en el accionamiento de una turbina, la cual se acopla a un generador eléctrico para producir energía eléctrica. En el proceso, el agua superficial del océano actúa como fuente de calor, mientras que el agua extraída de las profundidades actúa como refrigerante. Estas centrales se pueden instalar en tierra firme, en zonas cercanas a la costa o en estructuras flotantes en el océano. La tecnología es todavía muy ineficiente y un reto importante para la ingeniería es el diseño de tuberías de gran volumen que lleguen hasta el fondo del océano. La primera planta de este tipo se realizó en 1930 en la bahía de Matanzas (Cuba) mediante una central de ciclo abierto de 22 kW. Desde 1970 empezaron a construirse plantas experimentales en Hawai, el Caribe, en la isla de Nauru, sin embargo eran demasiado pequeñas para extrapolar los resultados a sistemas comerciales de mayor tamaño. A partir del año 1999 se han desarrollado plantas experimentales de mayor potencia y algunos países como Alemania, Francia, Italia y México están realizando estudios e investigaciones sobre este tipo de centrales. En España no existe recurso explotable para instalar una planta maremotérmica, debido a la ausencia de suficiente diferencia temperatura en nuestras costas. 2.4. Energía Mareomotriz El aprovechamiento energético de la mareas tiene su fundamento en el ascenso y descenso del agua del mar producido por la acción gravitatoria del Sol y la Luna, 10 aunque sólo en aquellos puntos de la costa en los que la mar alta y la baja difieren más de cinco metros de altura es rentable instalar una central mareomotriz. De entre todas las posibilidades de aprovechamiento de la energía del mar, la energía mareomotriz o de las mareas es la que se encuentra en un estado más maduro y en fase comercial, ya que ha sido empleada desde tiempos remotos en toda la costa. La energía maremotriz puede producir electricidad de dos formas: a) Energía potencial de las mareas. Dado que la energía potencial varía con la altura de la columna de agua en las mareas, se pueden emplear equipos de baja presión y/o de movimiento alternativo para mover un generador eléctrico y así convertir la energía potencial en energía eléctrica [13]. El proceso es el siguiente: cuando sube la marea, las compuertas se abren y se llena el embalse y cuando comienza a bajar la marea las compuertas se cierran; pasado un tiempo hasta alcanzar la diferencia de nivel adecuado entre el mar y el embalse, se procede a pasar el agua por las turbinas para generar electricidad. Ilustración 12: Planta de Energía Mareomotriz La Rance (Francia) [13] b) Energía cinética de las mareas. Como la energía cinética se genera por el flujo del caudal de agua en el caso de las mareas, se puede aprovechar eficientemente ése flujo de energía transformando el movimiento de desplazamiento (corriente marina) en un movimiento de rotación por medio de turbinas. La turbina convenientemente acoplada a un generador eléctrico produce la energía eléctrica [13]. 11 Ilustración 13: Proyecto de Energía Mareomotriz MeyGen (Escocia) Actualmente hay cerca de 9 proyectos en realización pero su localización, el desembolso de obra civil que supone la construcción de un dique, así como el impacto visual y estructural sobre el paisaje costero, se presentan como barreras importantes para el desarrollo de nuevos proyectos de esta tecnología. En lo que se refiere a energía mareomotriz, España no dispone de localizaciones con las características necesarias para instalar una central de este tipo, a excepción de alguna zona portuaria, cuyo aprovechamiento chocaría con restricciones asociadas a conflictos de uso con otras actividades. [14] 2.5. Energía undiomotriz o de las olas La energía undimotriz, u olamotriz, a diferencia de la energía mareomotriz es aquella que permite obtener electricidad a partir de la energía mecánica generada por el movimiento de las olas. La energía de las olas es la energía producida por el movimiento ondulatorio de la superficie del agua del mar. Las olas del mar son un derivado terciario de la energía solar. El calentamiento de la superficie terrestre genera viento y el viento genera olas, por lo tanto, el oleaje es una consecuencia del rozamiento del aire sobre la superficie del mar. Además cabe destacar que la energía de las olas puede ser capturada en la superficie o en el fondo del mar siguiendo la fuerza del agua. Las olas se tratan de unos de los tipos de energías renovables más estudiadas actualmente, ya que tienen la mayor densidad de energía de todas las renovables. El agua es capaz de generar 1.000 veces más cantidad de energía que el viento, por lo que permite producir lo mismo utilizando máquinas más pequeñas y, por tanto, con menor impacto visual en el medio ambiente. Las olas presentan una mayor facilidad para predecir sus condiciones óptimas que permitan la mayor eficiencia en sus procesos, siendo más fácil llegar a predecir condiciones óptimas de oleaje, que condiciones óptimas en vientos para obtener energía eólica, ya que su variabilidad es menor [15] . 12 A nivel mundial, la mayor parte de la energía undimotriz se concentra en los Océanos Atlántico y Pacífico, entre las latitudes 40º y 65º y con un potencial de entre 50-100 kW por metro de frente de ola. Ilustración 14: Distribución mundial media anual de la energía de las olas en mar abierto (kW/m) A nivel europeo, Reino Unido, Noruega, Portugal y España son los principales países donde se están desarrollando distintas tecnologías para el aprovechamiento de la energía de las olas. En el siguiente mapa se puede observar la distribución media europea de la energía de las olas en mar abierto: Ilustración 15: Distribución europea media anual de la energía de las olas en mar abierto (kW/m) A nivel nacional, España posee un importante potencial energético marino, en el que por las características de nuestra costa, parece que sólo la energía undimotriz dispone de recurso viable de gran calidad para su futura explotación, aunque 13 también en energía de las corrientes marinas, el sur de la península presenta un gran potencial teórico, pero su viabilidad está muy limitada por las fuertes restricciones por el intenso tráfico marítimo de la zona y su valor ambiental. En energía de las olas, diversos prototipos han comenzado ya a probarse en distintas zonas del país, con el objetivo de que en unos años la fuerza del oleaje se pueda convertir en una fuente de energía renovable más. A continuación se indican los principales proyectos en desarrollo en España: • En Cataluña, la empresa ABENCIS SEAPOWER está desarrollando un sistema de generación undimotriz con tecnología española. Actualmente un prototipo a escala un cuarto se encuentra instalado en el mar en la costa de Gerona. • En el País Vasco, en julio de 2011 se puso en marcha la primera planta de estas características en el mundo basado en el aprovechamiento de la energía de las olas sobre la construcción de un nuevo dique en Mutriku (Guipúzcoa), que utiliza la tecnología de columna de agua oscilante con 16 turbinas y una potencia total de 300 kW, desarrollado por la Administración Autonómica. Asimismo, Oceantec es un proyecto de desarrollo tecnológico nacional de un sistema de aprovechamiento de energía de las olas, promovido por IBERDROLA y TECNALIA. • En Cantabria, la sociedad IBERDROLA ENERGÍAS MARINAS DE CANTABRIA ha desarrollado un prototipo de una boya de 40 kW del tecnólogo Ocean Power Technologies OPT, ubicado a 3 km de la costa de Santoña. Después de ser botada al mar en octubre del 2009, actualmente se encuentra en talleres acondicionando mejoras en el sistema hidraúlico y eléctrico. También en Cantabria se está desarrollando el proyecto WAVEPORT, en el que participan varios agentes de distintas nacionalidades y que se va a desarrollar en España dentro del 7º Programa Marco. El proyecto pretende hacer frente a la falta de demostración tecnológica a escala comercial, por lo que se instalará: un convertidor de energía undimotriz (absorbedor puntual) de gran escala (PowerBuoy 150), una subestación transformadora submarina para ofrecer la posibilidad de validación de futuros convertidores y un novedoso sistema de medición en tiempo real (Wave-by-wave). • En Canarias se están desarrollando varios proyectos: Proyecto WELCOME (Wave Energy Lift Converter España): proyecto financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación, MICINN, para la construcción de un prototipo a escala 1:5 que transforma la energía de las olas en energía eléctrica, denominado APC-PISYS. El prototipo ha sido diseñado por la empresa española PIPO System, y está ya construido y fondeado en el banco de ensayos marino de la Plataforma Oceánica de Canarias PLOCAN. 14 Proyecto INNPACTO WAVE ENERGY. Proyecto financiado por MICINN, liderado por la empresa española PIPO System y dirigido a la mejora de la tecnología APC-PISYS y búsqueda de nuevas aplicaciones. Los dispositivos construidos serán instalados en un banco de ensayos marinos de PLOCAN. Proyecto UNDIGEN: Wedge Global ha llevado a cabo el desarrollo de un innovador Power Take-Off (PTO) eléctrico, basado en un generador lineal de reluctancia conmutada (ausencia de imanes permanentes), que se está aplicando a escala completa con una salida de 200 kW de potencia. El proyecto ha recibido financiación a través del Programa Innpacto 2011 (MICINN). El prototipo ha superado satisfactoriamente sus ensayos on-shore (Cedex-Ciemat), y próximamente será instalado en el banco de ensayos marino de PLOCAN, cuya funcionalidad offshore será probada en 2012 (Proyecto Undigen). Dicho consorcio público-privado ha obtenido 2,5 millones de euros dentro del Programa Innpacto 2011 (MICINN) para la financiación del referido Proyecto Experimental. • En Galicia, también existen iniciativas relacionadas con el desarrollo de las energías de las olas: un proyecto con tecnología Pelamis, una planta en dique con tecnología de columna de agua oscilante y un proyecto de desarrollo tecnológico nacional PIPO SYSTEM basado en un cuerpo flotante unido a un depósito sumergido, el cual dispone de un volumen de aire cautivo. • En Asturias, existe un proyecto en desarrollo con tecnología nacional HIDROFLOT. El proyecto Calma es un Proyecto singular innovador para el desarrollo de un parque de generación eléctrica de 50 MW a través de la energía undimotriz, compuesto por un conjunto de plataformas, que genera energía eléctrica al crear una diferencia de potencial entre el cuerpo sumergido inmóvil y el cuerpo deslizante del flotador, accionado por las olas. • OCEANLIDER, es un proyecto CENIT-E de cooperación público-privada en I+D “líderes en Energías Renovables Oceánicas”, aprobado por CDTI en la convocatoria del año 2009, en el que participan 20 empresas y 25 centros de investigación y universidades. El proyecto tiene un presupuesto de 30 M€ y la subvención aprobada es de más de 14 M€. Su objetivo principal es el desarrollo de tecnologías para el aprovechamiento óptimo de la energía de las olas. Una vez explicada la amplia variedad de formas de energía de los océanos para su diferenciación, se focalizará en el objetivo del proyecto. Dicho objeto de estudio será la energía undiomotriz. 15 3. ANTECEDENTES DE LA ENERGÍA UNDIOMOTRIZ La idea de aprovechar la energía del oleaje proviene desde la antigüedad hasta nuestros días. Los primeros testimonios datan del siglo XIII, en la región de China empiezan a operar molinos por acción del oleaje con el objetivo de emplear la energía procedente de las olas. La posibilidad de obtener energía de las olas ha sido estudiada desde la época de la Revolución Francesa, cuando las primeras patentes fueron registradas en París por un padre e hijo de apellido Girard. Observaron que “la enorme masa de un barco de la línea, que ninguna otra fuerza es capaz de levantar, responde al más leve movimiento de las olas” Al principio del siglo XX, el francés Bouchaux-Pacei suministra electricidad a su casa en Royan, mediante un sistema neumático, parecido a las actuales columnas oscilantes de agua. En esta misma época se prueban sistemas mecánicos en California, y en 1920 se ensaya un motor de péndulo en Japón [16]. Desde 1921 el Instituto Oceanográfico de Mónaco, utiliza una bomba accionada por las olas para elevar agua a 60 m con una potencia de 400 W. En 1925 nacen las teorías pioneras acerca del proceso de formación de las olas de la mano de Jeffreys. En 1957, Phillips y Miles, propusieron las teorías de formación de las olas tomando en cuenta los efectos de la no linealidad y turbulencia [17]. La teoría de Phillips decía que las fluctuaciones de presión del viento sobre la superficie del agua producen fluctuaciones en la superficie del agua y es lo que les da la rugosidad. Miles complementó está teoría diciendo que las fluctuaciones del agua producen fluctuaciones en el aire y que estas fluctuaciones se ponen en fase haciendo crecer más las olas. En 1958 se proyecta una central de 20MW en la isla Mauricio, que no llegó a construirse, consistente en una rampa fija sobre un arrecife, a través de la cual subía el agua a un embalse situado a 3m por encima del nivel del mar. Los franceses construyeron en Argelia en los años cuarenta dos plantas piloto tipo con canal convergente. Los trabajos presentados por Hasselmann en 1967 sobre los mecanismos de interacción no lineal del oleaje significaron un avance de vital importancia en la explicación del crecimiento del oleaje y en los modelos de generación debido a la fuerte influencia de dichos mecanismos en la evolución del espectro de frecuencias [18]. La investigación a gran escala del aprovechamiento de la energía de las olas se inicia a partir de 1974 en varios centros del Reino Unido, estudiándose sofisticados sistemas para grandes aprovechamientos, actividad que se abandona casi totalmente en 1982, por falta de recursos económicos. A mediados de los ochenta entran en servicio varias plantas piloto de distintos tipos en Europa y Japón [16]. 16 Sin embargo, es a partir de los años 90 cuando un gran número de empresas en distintos lugares del mundo comienzan a involucrarse en el diseño y desarrollo de aparatos para el aprovechamiento de la energía de las olas. Los 3 principales sistemas de obtención de la energía hasta el momento, son las siguientes: El sistema Pelamis: se compone de varios cilindros que flotan unidos por articulaciones. El movimiento de unos cilindros respecto a otros es resistido por unas articulaciones hidráulicas, que aprovechan esta energía para bombear aceite de alta presión a los acumuladores. Dicho sistema no se encuetra en uso debido a que la empresa que desarrollaba el proyecto quebró. Boyas o “columnas de agua oscilante”: En este sistema, durante el movimiento de la ola, un gran volumen de agua impulsa un pistón en un cilindro que fuerza a que el aire suba o baje. El aire desplazado hace girar una turbina en la parte superior de en torno a 1,5 MW de potencia. The Oyster: con este sistema una máquina en forma de almeja se ancla al fondo del mar a 10 metros del nivel de la superficie. El brazo se abre y bascula como un péndulo en respuesta al movimiento del mar [15]. 4. OBJETIVOS El objetivo principal del proyecto es desarrollar el conocimiento de la metodología empleada para realizar simulaciones de plataformas flotantes mediante la aplicación de programas CFD (Computational Fluid Dynamics), es decir mediante programas para el cálculo de la fluidodinámica. Dichos programas permiten optimizar la geometría de los cuerpos para obtener una mayor energía, reduciendo considerablemente los costes y consiguiendo un incremento de la eficiencia de los sistemas generadores. Con el fin de facilitar futuras investigaciones, se recogerán todos los pasos dados en un manual. En el manual se recogen todas las opciones elegidas para la realización de la simulación, justificando la elección de los parámetros desde la experiencia adquirida realizando el proyecto. El programa de CFD empleado para el desarrollo del proyecto es el STAR-CCM+ 9.04. También comentar que existen programas CFD de carácter open source, como el OpenFOAM, los cuales son gratuitos y permiten abaratar el proyecto considerablemente. El uso de CFDs es complejo ya que posee una gran variedad de comandos y parámetros que pueden ser modificados, por lo que se requieren bastantes horas de prácticas para el control de los mismos. La extraordinaria capacidad de los programas de CFD nos permite realizar simulaciones en condiciones muy diversas y a gran escala por lo que, aparentemente, el límite de procesado nos lo impondrán las características del ordenador donde se lleven a cabo las pruebas, no estando condicionado por las capacidades del programa. No obstante, la correcta elección de los parámetros permite racionalizar y mejorar notablemente dichos tiempos. La selección de parámetros erróneos puede conllevar a soluciones incorrectas o de poca precisión. Por el contrario un exceso de precisión en 17 los parámetros puede penalizar sensiblemente al tiempo de cálculo. Una buena elección de los mismos conllevará a obtener una solución precisa y en menor tiempo. Además se realizará una comparación entre los programas de simulación que se basan en la Teoría del Flujo Potencial, aplicada al Método de los Elementos de Contorno (para la obtención de la hidrodinámica aproximada) con los de CFD que siguen las Ecuaciones de Navier-Stokes aplicadas a un software basado en el Método de los Volúmenes Finitos (para determinar la hidrodinámica precisa). Por ello una vez obtenidos los datos con el programa CFD se compararán con los datos obtenidos por la Teoría de Flujo Potencial desarrollado a través de código en Matlab. Con dicha comparación se pretende analizar las limitaciones de la Teoría de Flujo Potencial y su alcance, al mismo tiempo que se optimiza la simulación realizada con CFD. Dentro del análisis de las simulaciones de un dispositivo flotante en flujo sumergido según el modelo de turbulencia K-Omega, se estudiará la evolución del coeficiente de arrastre con el número de Reynolds, ya que este coeficiente interviene en la determinación de la fuerza de amortiguamiento, lo que provoca una reducción del desplazamiento del dispositivo que tiene gran influencia en la generación de energía. La adecuación de los resultados del proyecto para que puedan ser utilizados en oficinas técnicas que se dediquen al estudio o el diseño de elementos flotantes, donde los técnicos podrán llevar a cabo las simulaciones en sus estaciones de trabajo (un ordenador dotado del software STAR-CCM+ 9.03). Los usuarios deben tener un amplio conocimiento previo de la simulación computacional de fenómenos hidrodinámicos, Dinámica de Sistemas Mecánicos y Mecánica de Fluidos. Los resultados obtenidos deberán ser validados mediante ensayos en canal para observar si los parámetros adoptados en las simulaciones son coherentes con el caso real. Una vez realizado el ensayo, los parámetros deberán ser ajustados para obtener una simulación que encaje con los datos obtenidos en la realidad. El desarrollo de una correcta simulación nos permitirá la creación de un prototipo en un menor tiempo y abaratando los costes al máximo. 5. BENEFICIOS TÉCNICOS, ECONÓMICOS Y SOCIOAMBIENTALES 5.1. Beneficios técnicos Entre los beneficios técnicos podemos destacar los siguientes aspectos: a) La realización del proyecto contribuye al desarrollo de las energías renovables procedentes del medio marino, como la undiomotriz, mareomotriz… b) Estudio sobre la realización de los mallados, así como la definición del modelo físico para el diseño y optimización de las plataformas marinas. c) Desarrollo de la concepción del medio marino como una fuente de energía renovable inagotable. 18 d) Mejora de la eficiencia de los sistemas generadores debido a la optimización de la geometría. e) Desarrollo del conocimiento teórico y práctico de los programas CFD con el fin de abaratar costes y conseguir un producto más rentable. f) Reducir sensiblemente el número de ensayos en canal o áreas habilitadas para tal efecto. g) Contribuye a la reducción de los tiempos de desarrollo obteniéndose prototipos y productos en un menor tiempo. 5.2.Beneficios económicos Los programas CFDs permiten abaratar notoriamente los precios de desarrollo de tecnología, ya que pueden reducir sensiblemente el número de ensayos a realizar. También permitirá la adecuación de la geometría, evitando aquellas que sean pocas eficientes para emplearlos como generadores de energía. Para situar mejor al lector acerca de la idea que se pretende presentar se ofrece el siguiente ejemplo. Vamos a suponer que se está trabajando con una geometría la cual inicialmente es poco eficiente. Suponemos que para alcanzar una optimización de la misma se necesitan realizar 5 ensayos en canal. Todo ensayo en canal trae consigo el posterior estudio de la situación y gastos derivados del tiempo de estudio. Si se emplea un CFD esto permite iniciar el experimento desde un punto más cercano a la solución. Se realiza un ensayo en canal con el fin de verificar los resultados obtenidos mediante el programa y modificar aquellos parámetros que presentan problemas en la simulación. Una vez ajustada la simulación se pueden lanzar la siguiente simulación más cerca aún de la solución. Finalmente se realizará un último ensayo en canal para verificar la simulación desarrollada. Si los resultados son positivos el estudio se dará por finalizado. Esto supone una diminución sensible del tiempo y de la infraestructura utilizada, descartando previamente aquellas opciones alejadas de la solución. Por lo que el empleo de de CFDs supone abaratar los proyectos del orden de un importe de 100.000 €. Con ello se conseguirá una importante reducción de los costes totales del proceso de diseño, tanto por el menor gasto en las pruebas experimentales como por el menor tiempo requerido en el mismo. 19 Ilustración 16: Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo El coste de un ensayo estandarizado en canal hidrodinámico de un generador undimotriz en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas del Pardo (CEHIPAR) [19], viene recogido en las tarifas y normas contenidas en la Orden Ministerial 19/2001 de 29 de Enero (BOE núm. 37 de 12.02.2001) [20], del Ministerio de Defensa. Dependiendo del tipo de ensayo a realizar, dimensiones, complejidad de la geometría y del material seleccionado; los precios variarán considerablemente. Adicionalmente, cada prueba experimental requiere 5 semanas hasta la obtención del informe de resultados, por lo que como se ha mencionado anteriormente esto supondrá un beneficio económico adicional debido a la reducción del tiempo de diseño. 5.3.Beneficios socioambientales Entre los beneficios socioambientales podemos destacar los siguientes aspectos: a) La participación en la expansión de las energías renovables contribuye al incremento del mix energético, disminuyendo así mismo la dependencia de los combustibles fósiles. b) La contribución en el desarrollo de una tecnología verde y que destaca por ser inagotable c) El desarrollo de dicha tecnología conlleva a la creación de puestos de trabajo y la necesidad de personal cualificado para el desarrollo de la misma. d) El desarrollo de dicha tecnología contribuye a disminuir las emisiones de CO2, cumpliendo de esa manera el tratado de Kioto. e) El desarrollo de una energía casi ilimitada en cuanto a recursos, limpia y con escaso impacto visual. 20 f) El desarrollo de la undiomotriz no compromete el abastecimiento de recursos y energéticamente de las generaciones futuras por lo que se conseguirá un acercamiento a sistemas sostenibles. 6. PERSPECTIVAS DE EVOLUCIÓN TECNOLÓGICA La tecnología para el aprovechamiento de la energía de las olas se encuentra todavía en un estado incipiente, que necesita un mayor desarrollo para llegar a ser competitiva, en comparación con otras energías renovables. Este estado tecnológico pre-comercial está marcado por grandes oportunidades para el futuro pero también numerosas barreras por superar. Actualmente, son muchos los dispositivos que se están desarrollando, tanto a pequeña escala como a escala real, contabilizados en más de 1.000 patentes mundiales de generadores energéticos de ola, cuyo reto es lograr una tecnología capaz de extraer la energía del oleaje y demostrar la funcionalidad de los dispositivos en el mar a corto plazo y la fiabilidad de los mismos a medio plazo. [4] Ilustración 17: Estado de desarrollo y madurez de las distintas tecnologías de aprovechamiento de energías del mar 7. ENERGÍA UNDIOMOTRIZ A continuación se comenzará a explicar el funcionamiento de los sistemas de generación de energía marina de origen undiomotriz para enlazar todo ello finalmente con la investigación realizada. Se seguirá el desarrollo de los siguientes apartados con el fin de explicar el estado arte actual de los sistemas de generación de origen undiomotriz como su funcionamiento y factores implicados: 21 1) 2) 3) 4) 5) 6) Las olas Obtención de energía a partir de un atenuador Obtención de energía mediante el efecto Arquímedes Obtención de energía mediante Rebalse Obtención de energía mediante Absorbedor de punto Comparaciones de los distintos sistemas de generación de energía de origen undiomotriz. 7.1.Las olas La fricción del viento con la superficie del agua produce un cierto arrastre, dando lugar primero a la formación de rizaduras (arrugas) en la superficie del agua, dicho fenómeno se conoce como olas. Cuando la superficie pierde su lisura, el efecto de fricción se intensifica y las olas crecen de tamaño siguiendo la dirección del viento. Cuanto más grandes sea la altura de las olas, mayor será la cantidad que puede ser extraída del viento, de forma que se produce una realimentación positiva Ilustración 18: Generación de una ola 7.1.1. Parámetros de las olas Las olas se definen a partir de los siguientes parámetros: Cresta: parte más alta de una ola. Valle: parte más profunda de la depresión entre dos olas consecutivas. Longitud de onda (λ): la distancia entre dos crestas Altura (H): la diferencia de altura entre una cresta y un valle. Amplitud (A): la distancia que la partícula se aparta de su posición media en una dirección perpendicular a la de la propagación. La amplitud (A) vale la mitad de la altura. 22 Pendiente (δ): La inversa de la tangente entre la altura y la longitud de onda. δ = arc tg ( H / λ ) Periodo (T): tiempo que transcurre entre el paso de dos crestas consecutivas por el mismo punto. La velocidad de onda (velocidad de fase o celeridad): se define como la velocidad de propagación dado por el cociente de la longitud de onda entre el periodo. c=λ/T Profundidad media: la distancia entre la mitad de la altura con respecto al fondo marino. Ilustración 19: Parámetros de las olas En aguas profundas (>λ/2) la velocidad de onda será proporcional a la longitud de onda, en aguas muy superficiales (<λ/20) por el contrario depende sólo de la profundidad. 7.1.2. Movimientos de las olas Una vez formada, la ola ya no depende del viento, sino de su propia gravedad, su onda o elevación se propaga sin perder casi energía, ya que no se mueve apenas la masa de agua. Hay que distinguir dos movimientos: Oscilación del medio movido por la onda: Se trata de un movimiento circular Propagación de la onda: Se produce porque la energía se transmite con ella, trasladando el fenómeno con una dirección y velocidad, llamada en este caso velocidad de onda 23 En realidad se produce un pequeño desplazamiento neto del agua en la dirección de propagación, dado que en cada oscilación una molécula o partícula no retorna exactamente al mismo punto, sino a otro ligeramente más adelantado (respecto al sentido de propagación de la onda). Es por esta razón por la que el viento no provoca solamente olas, sino también corrientes superficiales. Ilustración 20; Movimientos de una ola Como se ha hecho hincapié las partículas líquidas mantendrán un movimiento circular sin apenas desplazamiento. Por ello un objeto pequeño flotante mantendrá su posición tras el paso de la ola. 7.1.3. Fenómenos principales de las olas. Los diferentes sistemas que convierten la energía undiomotriz en energía eléctrica se basan en el aprovechamiento de tres fenómenos principales que se producen en las olas. El empuje de la ola: Dicho fenómeno se genera debido a la propagación de la onda aprovechándose la velocidad horizontal del agua mediante un obstáculo. Variación de la altura en la superficie: Dicho fenómeno se genera debido a la suma de la propagación de la onda y la oscilación del medio, aprovechándose el movimiento alternativo vertical de las olas con estructuras flotantes. Variación de la presión bajo la superficie: al igual que el fenómeno anterior se genera por la suma de la propagación de la onda y la oscilación del medio, aprovechándose del volumen de aire sometido a presión variable por el oleaje. 24 Ilustración 21: Fenómenos producidos en las olas En el siguiente gráfico se observan los distintos tipos de dispositivos según el fenómeno empleado para generar energía: Onshore Ubicación Nearshore Offshore Atenuador Tipo de Impacto Absorbedor Puntual Terminador y Totalizador OWC Difererencias de presión Efecto arquímedes Movimiento absoluto (ref. fija) Cuerpos Boyantes Cuerpos múltiples Movimiento relativo (ref. móvil) Principio de captación Inercial Con almacenamiento Rebosamiento Sin almacenamiento Impacto o empuje Ilustración 22: Clasificación de los convertidores 25 7.1.4. Según la ubicación de los dispositivos se pueden clasificar los dispositivos principalmente en función de su distancia a la costa: Dispositivos en costa (onshore): son dispositivos apoyados en la costa en acantilados rocosos, integrados en estructuras fijas como diques rompeolas o sobre el fondo en aguas poco profundas. Estos dispositivos se conocen también como Dispositivos de Primera Generación. Dispositivos cercanos a la costa (nearshore): son dispositivos ubicados en aguas poco profundas (10-40 m) y distanciados de la costa unos cientos de metros. Estas profundidades moderadas son apropiadas para dispositivos de gran tamaño apoyados por gravedad sobre el fondo o flotantes. Estos dispositivos se conocen también como Dispositivos de Segunda Generación. Dispositivos fuera de costa (offshore): son dispositivos fl otantes o sumergidos ubicados en aguas profundas (40-100 m). Son el tipo de convertidores más prometedor ya que explotan el mayor potencial energético existente en alta mar. Estos dispositivos se conocen también como Dispositivos de Tercera Generación. Ilustración 23: Clasificación de los convertidores de energías del mar según su ubicación 7.1.5. Según el comportamiento dinámico Atendiendo a la clasificación según el comportamiento se establece los siguientes grupos: – – Activos: los elementos de la estructura se mueven como respuesta a la ola y se extrae la energía utilizando el movimiento relativo que se origina entre las partes fijas y móviles. Pasivos: la estructura se fija al fondo del mar o en la costa y se extrae la energía directamente del movimiento de las partículas de agua. 7.2.Obtención de energía mediante atenuador Los atenuadores son estructuras flotantes alineadas en paralelo con la dirección de la ola. Uno de los modelos más representativos es el sistema Pelamis, conocido como serpiente marina. Aunque el proyecto Pelamis se abandonó debido a que la compañía escocesa que lo estaba desarrollando quebró, se estudiará el sistema 26 de funcionamiento ya que se trata de uno de los mejores sistemas atenuadores hasta el momento. Ilustración 24: Sistema Pelamis Este sistema utiliza también la oscilación vertical del mar para transformar la energía undiomotriz en electricidad pero lo hace desde un enfoque totalmente diferente a las boyas. La energía que produce el Pelamis se transfiere a un sistema de cableado submarino que llega hasta la red convencional de electricidad en la superficie. Toda la estructura está armada y anclada al lecho marino mediante cableados especiales. Cada bloque está unido por un sector bisagra perpendiculares a la corriente encargado de generar electricidad. Los sectores bisarás, además de flexionarse en sentido vertical, también lo hacen horizontalmente. Dicho movimiento de las olas provoca una basculación entre cada sección de tubos, que es aprovechado por un sistema hidráulico para generar electricidad. 27 Ilustración 25: Funcionamiento del sistema de generación del Pelamis Las bombas hidráulicas entran en acción moviendo un fluido a alta presión dentro de un circuito. El fluido activa un generador hidráulico que produce 250 Kw de energía. Un Pelamis con tres generadores produce un total de 750 Kw, suficientes para abastecer 500 hogares con un consumo medio durante un año. 7.3.Obtención de energía mediante el efecto Arquímedes Es una de las tecnologías más avanzadas. Su principal novedad es que se sitúa entre 40 y 100 metros bajo el nivel del mar y gracias a ello no está expuesta a condiciones meteorológicas adversas. Ilustración 26: Sistema de generación de energía mediante el efecto Arquímedes El sistema es similar a una boya cilíndrica, pero que está sujeta al lecho marino mediante un pedestal. Su único elemento móvil es una carcasa superior llena de aire que actúa como un flotador. 28 Al elevarse la ola, la columna de agua aumenta y también la presión que ella ejerce. Cuando la ola desciende el efecto es inverso. Debido a esta presión, el cilindro flotador desciende. Un sistema de aire comprimido lo vuelve a empujar hacia arriba cuando pasa el valle de la ola. Ilustración 27: Funcionamiento del sistema de generación de energía mediante el efecto Arquímedes Un motor- generador con imanes y una bobina aprovecha el movimiento vertical para generar hasta 1.2MW de electricidad, que se dirige hasta la superficie a través de un cable submarino. 7.4.Obtención de energía mediante rebalse El sistema generador de energía undiomotriz por excelencia mediante rebalse es el conversor undiomotriz Wave Dragon. Actualmente dicho sistema funciona frente a las costas danesas de Nissum Bredning desde 2004. Se trata de un sistema flotante, estacionario-amarrado convertidor de energía del tipo desbordamiento que se puede implementar en una sola unidad o en conjuntos de unidades Wave Dragon en grupos resultantes en una planta de energía con una capacidad comparable a las plantas de energía fósiles basados tradicionales. 29 Ilustración 28: Sistema de generación de energía Wave Dragon El primer modelo construido tiene 58 metros de ancho, pero hay proyectos de la misma empresa de 390 metros. A continuación en las siguientes imágenes se puede observar el funcionamiento de un sistema de generación de energía undiomotriz mediante rebalse. Ilustración 29: Funcionamiento del sistema de generación Wave Dragon 30 El oleaje sobrepasa el borde de la estructura y el agua es almacenada en una especie de balsa. Luego se libera hacia el mar. En su camino mueve turbinas encargadas de generar electricidad. 7.5.Obtención de energía mediante absorbedor de punto El sistema generador de energía undiomotriz por excelencia mediante absorbedor de punto es el Powerbuoy. Se trata de una central eléctrica para generar energía eléctrica. Actualmente se están usando o en proyecto en 9 ubicaciones a lo largo del mundo, pero principalmente destacan los sistemas ubicados en Australia y Estados Unidos. Ilustración 30: Sistema de generación de energía Powerbuoy El sitema Powerbuoy consiste en una boya exterior que se mueve verticalmente siguiendo las ondas de las olas. Todos los dispositivos serán fijados al fondo del mar mediante un ancla de 100 toneladas. Los sistema de anclajes s esuelen colocar a una profundidad no superior a los 14 metros. 31 Ilustración 31: Funcionamiento del sistema de generación Powerbuoy Un cilindro hidráulico interior comprime un fluido que, a su vez, hace girar un generador que produce electricidad. La energía obtenida finalmente es llevada a tierra por un cable submarino 7.6.Comparaciones El aprovechamiento de la energía undiomotriz no genera gases contaminantes a diferencia de otras fuentes de energías convencionales y tiene un impacto ambiental (visual, sonoro o estructural) muy leve. Pero también implica grandes costos de mantenimiento, reparación e instalación debido a que los sistemas se encuentran expuestos a la naturaleza marina siendo este medio especialmente corrosivo para los metales. Estos serán mayores cuanto más alejados de la costa se encuentren los dispositivos. [21] 32 Costo por proyecto (en euros) Potencia por unidad Funcionando en Wave Dragon 13,5 millones (unidad en proyecto) 11Mw Pelamis Archimedes Wave Swing 12 millones 265 millones - 750 Kw 250 Kw 40 Kw Nissum Bredning, Dinamarca Aguaçadoura, Portugal Orkney, Escocia Hawai, EE.UU. New Jersey, EE.UU. Santoña, España (proyectos) OPT Powerbuoy Tabla 1: Comparación de los distintos dispositivos 7.7.Centros tecnológicos de pruebas El desarrollo de los primeros proyectos de aprovechamientos de energías del mar requiere de una infraestructura adecuada de evacuación eléctrica, que en algunos países de la Unión Europea se están empezando a proyectar: En agosto de 2008, Portugal tomó la decisión de crear una zona piloto con una potencia total de 250 MW para el desarrollo tecnológico de nuevos prototipos en fase precomercial e industrial. El centro de pruebas estará ubicado a 120 km al norte de Lisboa a una profundidad de entre 30 y 90 metros y con una extensión de 320 km2 . La zona piloto permitirá la instalación de todo tipo de dispositivos de energías marinas incluida la eólica offshore. Muchas de las actividades de promoción de la energía de las mareas y las olas en el Reino Unido se han centrado en el desarrollo de dos centros de pruebas: el EMEC (European Marine Energy Centre) en Orkney y el proyecto WAVE HUB en Cornwall. El EMEC lleva en operación varios años y como primer centro de pruebas en cualquier parte del mundo ofrece la oportunidad a los tecnólogos de probar sus prototipos a escala real conectados a red en unas excelentes condiciones de olas y mareas. 33 Al igual que en Europa, en España existen varios proyectos para desarrollar centros tecnológicos de pruebas y homologaciones de los prototipos y equipos en fase de desarrollo: País Vasco: BIMEP (Biscay Marine Energy Platform), infraestructura para investigación, demostración y explotación de sistemas de captación de energía de las olas en mar abierto, que permitirá a los fabricantes de estos sistemas que instalen sus equipos en ellas, realicen pruebas y homologuen prototipos y equipos en fase de desarrollo. La potencia total del centro tecnológico será de 20 MW. Figura 4.4.13. Arquitectura conceptual de la infraestructura de BIMEP Fuente: BIMEP Canarias: Proyecto PLOCAN, infraestructura científica y tecnológica de carácter singular con el objetivo de facilitar el acceso y que estará completamente operativa en el año 2011 y que albergará un banco de pruebas para el aprovechamiento de energías del mar (eólica offshore, undimotriz, corrientes marinas, etc.). Cantabria: desarrollo de un nodo energético de energía de las olas de 2 MW en Santoña y de un centro de pruebas para sistemas marinos (oleaje y viento) en la zona de Ubiarco, con una capacidad de conexión, aún por determinar, del orden de 20 MW, que permitirá la conexión de grandes turbinas eólicas flotantes, aunque se podrán conectar también sistemas de aprovechamiento de la energía del oleaje. Asturias: infraestructura liderada por la Universidad de Oviedo, pretende la creación de una Instalación Científica Técnica Singular emplazada en la costa asturiana para la experimentación, demostración y explotación de sistemas de captación de energías de origen marino, almacenamiento y transporte de energía eléctrica, investigación medioambiental, acuicultura marina, estudios de biodiversidad y análisis del cambio climático. 34 Ilustración 32: centros tecnológicos en España 7.8.Potencial de la Energía Marina en España España posee un importante potencial energético marino, en el que por las características de nuestra costa, la energía undimotriz dispone de recurso de gran calidad para su viabilidad y desarrollo. Por este motivo, IDAE ha realizado el Estudio de la Evaluación del Potencial de Energía de las Olas en España con el objetivo de elaborar un atlas del potencial del recurso energía del oleaje para todo el litoral español, para su integración en el Plan de Energías Renovables 20112020. [4] Ilustración 33: Potencia media (kW/m) anual en litoral español 35 Galicia presenta los valores de potencial de energía más elevados, con potencias medias en profundidades indefinidas entre 40-45 kW/m. El Mar Cantábrico es en segundo lugar, la siguiente zona del litoral en cuanto a recurso (alrededor de 30 kW/m disminuyendo de Oeste a Este) . En tercer lugar, la fachada norte de las Islas Canarias (con 20 kW/m). La fachada sur de las Islas Canarias, junto con el Mediterráneo español y el Golfo de Cádiz presentan valores medios anuales menores a 10 kW/m. Los resultados obtenidos en profundidades indefinidas van disminuyendo progresivamente a medida que el calado disminuye aunque en algunas áreas se producen concentraciones locales motivadas por la configuración de la costa y de la batimetría. Existe una fuerte estacionalidad en la potencia media, pudiendo presentarse en invierno potencias medias de 75 kW/m (Galicia), 50 kW/m (Cantábrico) y 35 kW/m (Norte de Canarias). 7.9.Análisis de coste Actualmente, los costes normalizados de energía reales son altos, encontrándose fuera del rango comercial, y tampoco son fiables debido a la inmadurez de la tecnología. Los puntos críticos que influyen directamente en los costes de esta tecnología son, entre otros: Los sistemas o prototipos se enfrentan al reto de probar su eficiencia en el mar con resultados contrastables en el tiempo. El coste de inversión final es mayor de lo previsto en muchos casos Las horas de funcionamiento reales no se cumplen por problemas de mantenimiento. Por ejemplo, la potencia esperada de la planta de Pico Power en las Azores (Portugal) era de 400 KW, cuando en la realidad sólo dio potencias en torno a 20-70 KW debido a problemas de resonancia mecánica. Los dispositivos no sobreviven en el mar en condiciones reales. La planta de Wavegen en Osprey (Reino Unido) fue destruida durante el proceso de instalación. 36 Ilustración 34: Coste teórico y real de electricidad en instalaciones de energías del mar. El camino para reducir los actuales costes, no asumibles a escala competitiva, reside en lograr una tasa de aprendizaje que permita su estimación al margen de los diseños, así como un sistema de apoyo adecuado que acelere el proceso. Los costes teóricos de una planta de olas se encontrarían entre 3,9 y 6,7 M€2010/MW mientras que en la de corrientes serían de entre 4,9 y 5,6 M€2010/MW. [4] Ilustración 35: Distribución del capex de un sistema de olas y un sistema marino de corrientes 37 8. RESULTADO FINAL y ANÁLISIS DE LA SIMULACIÓN Se han realizado multitud de simulaciones pero de ellas se han tomado tres como referencia debido a los cambios significativos realizados. En el documento metodología se recogen todos los análisis de los resultados y comparaciones realizadas. En este documento se recogerán únicamente los últimos resultados obtenidos. En la simulación el cilindro ha sido liberado 5 m desde la posición. En esta simulación se ha dejado correr un total de 14 segundos aproximadamente con el fin de observar como interactúa el cuerpo. EL mallado aplicado a dicha simulación ha sido el siguiente: Partes y volúmenes Tamaño de la malla 0,5 m Overset 4m Background Overlap 0,5 m Water Surface 2 m X, 2 m Y ,1,2 m Z Cylinder 0,125 m Tabla 2: Tamaño de la malla La potencia empleada de los procesadores del ordenador ha sido la siguiente: Procesadores empleados 9 Tabla 3: Potencia empleada A continuación se presentan los parámetros físicos que definen el desplazamiento del cilindro: Traslación del cilindro en Z: Como se observa los resultados son coherentes respecto al movimiento realizado. El cilindro es liberado desde la posición inicial, es decir, 0 m y se desplaza respecto a la posición de equilibrio con una amplitud menor de 5m debido a las pérdidas de energía. 38 Ilustración 36: S.3 Traslación del cilindro en Z Velocidad del cilindro en Z: Se observa como la función que resulta de la simulación está adelantada 90° con respecto al desplazamiento lo cual tiene todo sentido físico Ilustración 37: S.3 Velocidad del cilindro en Z Aceleración del cilindro en Z: Se observa como la función que resulta de la simulación está adelantada 180° con respecto al desplazamiento y 90° con respecto a la velocidad lo cual tiene todo sentido físico. Del análisis de la aceleración se observa que la curva no es perfectamente lineal lo cual significa que los resultados pueden ser mejorables con un mejor mallado. Dado que la potencia del ordenador se ha llevado al máximo no se ha 39 podido obtener un resultado más preciso del presentado en el proyecto. Se necesitaría superordenadores con suficientes procesadores para realizar la simulación con más precisión. Ilustración 38: S.3 Aceleración del cilindro en Z En el siguiente detalle se aprecia el efecto que tiene el mallado sobre la aceleración. Se observa cierta distorsión que puede ser corregido como se ha comentado anteriormente Ilustración 39: Detalle gráfica de aceleración Con el fin de estudiar los datos obtenidos con respecto a otros movimientos y teorías se han empleado las gráficas de desplazamiento. Para verificar la coherencia de los resultados inicialmente se han comparado el desplazamiento de la simulación con los de un MAS para el mismo cuerpo. Se observa como el MAS 40 se encuentra siempre con una amplitud mayor que la simulación realizada y de valor constante de 5m como cabe esperar. En cuanto a la curva de la simulación va disminuyendo su amplitud por efecto de las fuerzas disipativas por lo que el cuerpo tenderá a su posición de equilibrio. Análisis de la simulación con respecto a un MAS 6,00 5,00 4,00 Desplazamiento (m) 3,00 2,00 1,00 Simulación 0,00 -1,00 0 2 4 6 8 10 12 14 16 MAS -2,00 -3,00 -4,00 -5,00 -6,00 Tiempos (s) Ilustración 40: Análisis de la simulación con respecto a un MAS Finalmente el último paso que se ha realizado consiste en obtener el coeficiente de arrastre que mejor se ajuste a las pérdidas calculadas por el CFD, mediante la Teoría de Flujo Potencial (TFP) realizada a partir de MATLAB. Para ello se han asignado distintos valores al coeficiente de arrastre hasta alcanzar una curva que se aproxime a la desarrollada por la simulación. El coeficiente de arrastre que mejor se ajusta a ambas gráficas tiene un valor de 0.8. 41 Comparación de Simulación con la TFP 6,00 5,00 4,00 Desplazamiento (m) 3,00 2,00 1,00 0,00 -1,00 Simulación 0 2 4 6 8 10 12 14 16 C. Arras 0.8 -2,00 -3,00 -4,00 -5,00 -6,00 Tiempo (s) Ilustración 41:Comparación de la simulación con la TFP Como se observa inicialmente las 2 curvas coinciden y se puede apreciar como a medida que pasa el tiempo la curva la simulación queda por debajo de la C. Arras 0.8. Esto se debe a que la teoría del flujo potencial no considera: La viscosidad del fluido: Los efectos de la viscosidad de los fluidos reales quedan limitados a las regiones del espacio (muchas veces pequeñas) donde tienen lugar fuertes gradientes de la velocidad (capas límite, o regiones donde el flujo es turbulento y no se cumplen las ecuaciones de Euler) En el grueso del flujo los efectos de la viscosidad son despreciables y el fluido se puede suponer ideal (flujo laminar se cumplen las ecuaciones de Euler), es decir, las regiones donde las fuerzas viscosas son despreciables si se las compara a las fuerzas de presión y/o inercia. En la teoría del flujo potencial se considera que el fluido es ideal y no viscoso. Ilustración 42: Flujo turbulento y laminar 42 Flujo rotacional: Se dice que un flujo es rotacional cuando el rotor de la función vectorial es distinto de cero. Cuando un flujo es turbulento también será rotacional. Ilustración 43: Flujo rotacional La vorticidad permite cuantificar la rotación de las partículas fluidas (es el doble de la velocidad angular). Para que esa rotación tome lugar tiene que haber un torque sobre la partícula fluida. Este torque aparece como consecuencia de la viscosidad del fluido. Además analizando los resultados del Wall Y+ podemos observar que dicho parámetro se encuentra cerca del óptimo que es 1 en la mayoría de las regiones. Ilustración 44: Gráfica Wall Y+ 43 Las principales partes donde el Wall Y+ cobra importancia son en las zonas que alternan entre aire y agua, es decir, la interfase y en la esquina inferior del cilindro donde se observan los siguientes vórtices. Los vórtices como anteriormente se ha mencionado no se consideran en el cálculo de la teoría del flujo potencial, de ahí la diferencia con respecto al cálculo realizado con el CFD. Dichos vórtices se generan por el ángulo de 90º podrían verse disminuidos dando un radio por lo que se evita una concentración de tensiones. Ilustración 45: Vórtices generados 9. CONCLUSIONES Los resultados obtenidos de la simulación con el programa STAR CCM+ han sido analizados y comprobados con respecto a un MAS y la teoría de flujo potencial desarrollada a partir del MATLAB. Se observa que los resultados son aceptables pero analizando los distintos parámetros del STAR CMM+ se concluye lo siguiente: Potencia de procesado: La simulación ha sido realizada con un ordenador de sobremesa con un total de 9 núcleos. Para obtener una simulación de 14 segundos, es decir, aproximadamente un ciclo, en tiempo real se han empleado 184 horas y 50 min lo que equivale 7 días y 3/4. Para el desarrollo de la simulación la potencia de un ordenador de mesa comienza a ser insuficiente ya que se observan limitaciones técnicas en el equipo. Para el desarrollo de un mallado con una mayor precisión se deberá disponer de un clúster. La universidad UPV/EHU dispone del clúster de Arina, el cual podría emplearse para el desarrollo de futuras simulaciones. 44 Mallado: Una vez analizados los residuales se observa que son un poco altos. Como se ha comentado anteriormente la limitación de realizar un mallado de mayor precisión reside en la potencia de cálculo disponible. Ilustración 46: Residuales Para mejorar el mallado se deberá ir dando valores más pequeños al mallado e ir analizando como varía alguna de las gráficas (desplazamiento, velocidad y aceleración), cuando se observe que la variación del mallado no produce un cambio sensible en el valor estudiado se concluye que el mallado es fino y genera muy buenos resultados. Asignar un exceso de precisión a la malla supone incrementar el tiempo de cálculo y los valores obtenidos no ofrecen un valor añadido. TFM Vs CFD: El TFM se emplea para realizar una primera aproximación al problema, mientras que el CFD se utilizará finalmente para la optimización de la geometría y un análisis más exhaustiva. Además hay que resaltar que los resultados obtenidos mediante el TFM son casi inmediatos y no se necesitan equipos potentes. Por otro lado, los resultados obtenidos con el CFD necesitan un equipo potente o un clúster para su procesado y los tiempos de cálculo son largos. Validación en canal: Los datos calculados mediante CFD y TFM deben ser validados mediante un ensayo en canal. Dichas teorías intentan reducir al máximo el número de ensayos a realizar, lo que supone un ahorro económico considerable. Finalmente se debe hacer hincapié que el desarrollo tanto de TFP como CFD suponen un abaratamiento del proceso de investigación, disminuyendo el número de ensayos a realizar y prototipos a realizar. 45 10. LÍNEAS FUTURAS Los resultados obtenidos en la simulación han sido satisfactorios como primera respuesta al problema. A continuación se presentan las diferentes acciones que se deberán realizar con el fin de optimizar la simulación y obtener dispositivos competitivos y rentables económicamente: Optimización del mallado: Para mejorar el mallado se deberá ir dando valores más pequeños al mallado e ir analizando como varía alguna de las gráficas (desplazamiento, velocidad y aceleración), cuando se observe que la variación del mallado no produce un cambio sensible en el valor estudiado se concluye que el mallado es fino. Estudio del efecto borde: Una vez obtenido un mallado fino se deberá realizar dicho estudio. Como se ha indicado anteriormente la esquina inferior del cilindro forma 90° con respecto a la base por lo que se generan vórtices. Al introducir un radio de acuerdo se consigue disminuir la vorticidad consiguiendo menores turbulencias por lo que se consigue una mayor captación de energía a partir del dispositivo. Estudio de diferentes geometrías: Una vez desarrollado el caso más elemental, que es un cilindro, se irán analizando diferentes geometrías o variaciones de las mismas con el fin de observar los resultados obtenidos y decir que geometría es la idónea para el desarrollo del dispositivo. 46 11. BIBLIOGRAFIA [1] Mendoza, Rolando Calero; Rivera, David Viteri; Libertad-ecuador, la energía undimotriz, alternativa para la producción de energía eléctrica en la provincia de Santa Elena”. [2] Profesora Dra. I.I. Natalia Alegría Gutiérrez, Abastecimiento hidrográficos, Apuntes UPV/EHU. [3] Godfrey Boyle, Renewable Energy, 2nd Edition, 2004, Oxford University Press. 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