Dr. LUIS RAMÓN NÚÑEZ RIVAS. Ingeniero Naval. Director Honorifico E.T.S. de Ingenieros Navales de la Universidad Politécnica de Madrid
El 70% de la superficie del planeta está cubierto de mares y océanos almacenando 1.550*109 millones de metros cúbicos de agua. Son la mayor reserva energética existente en la Tierra, y además de carácter renovable, con un potencial mundial de producción de energía eléctrica anual estimado en 120.000 TWh (Agencia Internacional de la Energía). Sin embargo ese potencial de generación energía a día de hoy se cuentra prácticamente infrautilizado. El objeto del presente artículo es presentar de modo muy sintético, lo que son las Fuentes Energéticas Renovables, su potencial y como en el presente pueden ser aprovechadas en un país como España con tantos kilómetros de costa y donde la potencia marinas eólica instalada es irrisoria.
Las fuentes energéticas renovables marinas
Las fuentes energéticas que mares y océanos ofrecen a consecuencia de la transformación en su seno de la energía solar que captan sus aguas, son:
- Energía de los vientos, denominada Eólica y tanto la marina (Offshore) como la terrestre (Inshore).
- Energía de las Corrientes Marinas, tanto inerciales como mareales.
- Energía de las Olas, denominada Undimotriz.
- Energía del Gradiente Térmico Oceánico, denominada OTEC
- Energía del Gradiente Salino.
A continuación, se exponen sus características y el grado de desarrollo tecnológico que permite su aprovechamiento que en general consiste en obtener energía eléctrica que posteriormente será introducida, para su transporte y distribución, en los sistemas eléctricos de potencia que corresponda.
Energía de los vientos marina y terrestre
Son las grandes corrientes de aire que recorren la tierra, cuyo origen es el gigantesco convertidor energético constituido por mares y océanos, la fuente energética renovable que posee al día de hoy mayor capacidad de aprovechamiento, después de la hidráulica, existiendo a 31 de Diciembre de 2022 un conjunto de instalaciones para su aprovechamiento que alcanzan los 906 GW de potencia (Consejo Mundial de Energía Eólica 2023), si bien muy mayoritariamente a partir de los vientos en tierra firme.
El potencial que la Energía Eólica tiene a nivel mundial no está cuantificado con exactitud, aunque hay estimaciones que valoran éste en 300 * 1012 MW ,de los cuales 225*1012 MW se encuentran en mares y océanos, lo que obliga para poder aprovechar una gran parte de ese potencial a desarrollar ampliamente los parques eólicos marítimos, lo que hasta el presente se ha hecho mínimamente ya que en la actualidad la potencia marina instalada en el mundo es de 64,3 GW que se distribuyen del modo siguiente.
- 1) China con 31,5 GW, 49%
- 2) Reino Unido con 14,15 GW, 22%
- 3) Alemania 8,4 GW, 13%
- 4) Holanda 2,6 GW, 4%
- 5) Dinamarca 2,6 GW, 4%
- 6) Resto del Mundo 5,8 GW, 9%
En Europa el principal generador de energía eólica marítima es el Reino Unido que cubre alrededor del 46% de su demanda de energía eléctrica, abasteciendo a más de 4,5 millones de hogares y con una previsión de crecimiento de alcanzar los 30 GW de potencia instalada en 2030.
En España aún no existe ningún parque marino instalado, si bien ya se ha iniciado la instalación del primero en aguas canarias, que consiste en una torre de hormigón con fondeo mediante una base de gravedad apoyada en el fondo marino y siendo el generador una maquina Siemens de 5 MW con 132 metros de diámetro de rotor.
Las previsiones son que al final del 2030 existan 7 GW de potencia instalada, usándose generadores de 12 a 15 MW de potencia unitaria, debe tenerse en cuenta que el tiempo que se necesita para culminar un parque de este tipo es de 6 años, lo que hace poco probable que se alcance el objetivo previsto al 2030.
Los sistemas de instalación de estos parques marinos consisten en situar la torre fondeada mediante pilotes o estructuras jacket, si la profundidad no sobrepasa los 60 metros, por encima de esta es necesario utilizar estructuras flotantes con fondeo mediante catenarias o mediante tendones metálicos de tensión (Tensión LEG Platform).
En cuanto a los tamaños de los generadores, se tiende a disponer generadores con potencias superiores a los 10 MW, ya existen de 15 MW y la empresa china CSSC HAIZHUANG está desarrollando uno que espera alcance los 18 MW unitarios y los 130 m de longitud de pala (260 m diámetro Rotor), con 53.000 m2 de área barrida, 44,8Kwh por revolución, y 74GWh año unitarios, suficiente para 40.000 hogares y evitara la emisión de 61.000 tons. de CO2.
Para el montaje en el mar se utilizan buques especiales, bien de tipo Jack Up o bien Heavy Lift. La evacuación a tierra de la energía eléctrica producida se realiza mediante la transformación a corriente continua de alto voltaje para minimizar las perdidas.
Energía de las corrientes marinas
Su potencial mundial no ha sido cuantificado, aunque e hay estimaciones que al día de hoy y en base a la tecnología existente se supone que la potencia útil de las corrientes marinas, tanto mareales como inerciales, alcanza los 3.000 TWh al año.
Si bien es cierto que no se incluye el aprovechamiento de las grandes corrientes oceánicas por su alejamiento de las costas y su situación mayoritariamente fuera de las zonas de aprovechamiento económico exclusivo de los distintos países ribereños y también por la alta complejidad técnica que su explotación conllevara, si bien ya se plantea el diseño de grandes plataformas marinas flotantes para extraer esta energía y transformarla en hidrógeno, para posteriormente utilizar este combustible como vector energético en tierra mediante su transporte en grandes buques semejantes a los actuales LNG.
Esta fuente tiene una alta predictibilidad ya que tanto las corrientes provocadas por causas inerciales como las maréales, mantienen sus caudales conocidos y cuasi constantes según la época del año. Además, poseen una alta capacidad energética pues la densidad del agua del mar tiene de promedio el valor de 1.015 Kg/m3 lo que se traduce en que una corriente de agua marina que discurre a una velocidad de 2 m/s posee por cada m2 de área perpendicular a su flujo, la misma energía que una corriente eólica de 18 m/s.
En el momento actual existe una amplia variedad de generadores para el aprovechamiento de esta fuente energética, todos basan su funcionamiento en ser posicionados en medio del flujo y corresponden a distintos diseños que pueden agruparse en las tres tipologías siguientes:
Rotores de flujo axial, cuyo eje es horizontal y en la misma dirección del flujo y que pueden tener una similitud en la forma con los generadores eólicos o con las hélices que propulsan los buques, pudiendo incluso estar situados en el interior de toberas que direccionan y aceleran el flujo de la corriente.
Rotores de eje vertical, reciben el flujo de la corriente en sentido transversal al eje y lo forman conjuntos de palas verticales que giran sobre ese eje impulsadas por la corriente.
Alerones que basculan alternativamente al ser impulsadas por el flujo, estando la aleta en posición horizontal o en un plano ligeramente inclinado con la dirección de la corriente y debido a la fuerza de sustentación que la corriente provoca, el alerón oscila en un movimiento vertical que por medio de una palanca acciona un servomotor hidráulico que produce energía eléctrica.
En cuanto al sistema que permite su posicionamiento en la corriente, puede ser una estructura apoyada por gravedad en el fondo marino o bien una estructura pilotada en el lecho marino al modo en que lo son los grandes generadores de aprovechamiento eólico marítimo y también estructuras flotantes, que actúan bien a flote o en inmersión y en todos estos últimos casos debe disponerse el correspondiente sistema de fondeo.
Hoy en día son muy pocos los diseños que alcanzaron un nivel de desarrollo precomercial con prototipos incluso con conexión a la red, aunque con producción pequeña, los tres más avanzados son:
El más antiguo de los tres, es el denominado Sea Gen de la empresa Marine Current Turbines. Consiste en dos turbinas axiales y de eje horizontal, abiertas y montadas sobre un soporte que discurriendo a lo largo de un pilote anclado al fondo que puede emerger fuera del agua para mantenimiento. Tiene una potencia de 1,2 MW.
El segundo está siendo desarrollado por la empresa Hammerfest Strom (propiedad de Iberdrola a través de su filial Scottish Power) la cual tomando como base su prototipo de 300 kW, está desarrollando el generador de 1MW denominado HS1000.
El tercer generador esta desarrollado por la empresa irlandesa Open Hydro que posee una potencia unitaria de 500 kW y está fondeado apoyado sobre el fondo mediante una estructura de acero de grandes dimensiones que tiene un peso de 430 toneladas de acero a las que sumadas las 70 que pesa la turbina, supone un preso total por generador de 500 toneladas.
Merece mención el Proyecto español GESMEY, basado en una idea del profesor López Piñeiro que bajo el patrocinio de SOERMAR y con financiación de Programas Nacionales de Proyectos de Investigación Aplicada, tiene por objeto el diseño funcional de un nuevo tipo de generador eléctrico que aprovecha la energía de las corrientes marinas , mediante una hélice de tres palas, sumergida y acoplada al generador. Todo ello soportado por una estructura en Y de tres flotadores en forma de torpedos y con un sistema de fondeo, de modo que pueda trabajar en inmersión a distintas profundidades. El generador emerge y se sumerge hasta la profundidad de operación, que puede ser mayor de 50 metros, solo utilizando fuerzas hidrodinámicas que se producen mediante la variación del nivel de agua de lastre en los tres flotadores. En el presente se ha llevado a cabo la segunda fase del Proyecto consistente en el diseño y construcción de un prototipo de 10 KW, lo que se ha realizado en la empresa Astilleros Balenciaga S. A.
Energía de las Olas (Undimotriz)
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 desplazamientos de aire de uno a otro lugar, es decir generando vientos.
Y son estos vientos, los que al desplazarse sobre la superficie del mar llevan a cabo el rozamiento de las moléculas de aire con el agua, transfiriendo a esta parte de su energía y generando las olas, estas actúan como un acumulador de energía pues la almacenan y la transportan de un lugar a otro sin apenas perdidas, lo que da lugar a que la energía de las olas que se producen en cualquier parte del océano acabe en las costas.
La capacidad energética de un frente de ola se mide en densidad de energía por metro de frente y su valor varia de unas localizaciones a otras y ese potencial depende de la altura de ola y se atenúa con la profundidad del agua como consecuencia del rozamiento de esta con el fondo.
Esta fuente energética no está cuantificada con exactitud, oscilando la estimación según la fuente entre los 2.000 GW y los 4.000 GW, por lo que repartiendo estos valores entre los 336.000 Km de costa existentes en el mundo se obtiene un valor medio de densidad energética de las olas por metro de costa de 8,0 KW, aunque esta distribución dista mucho de ser igualitaria ya que hay zonas de costa como es el caso de Australia o Nueva Zelanda donde se puede alcanzar los 100 KW/m frente a otros lugares donde solo hay 5 KW/m.
En Europa este recurso se encuentra mayoritariamente en la Costa Atlántica y oscila entre los 30 KW/m y los 75 KW/m según cuál sea la localización. Los litorales españoles, tanto Atlántico como Cantábrico y también Canario, son ricos en este recurso por lo que debe potenciarse la investigación para obtener tecnologías maduras para su aprovechamiento y permitir que esa explotación futura se haga con sistemas y equipos de fabricación mayoritariamente nacional.
Debe ponerse además de manifiesto que, si bien el potencial disponible de la fuente es inmenso, la capacidad tecnológica existente en el presente no permitiría aprovechar más de un 2% del mismo y no con rendimientos razonables.
Al día de hoy ninguno de los dispositivos diseñados para este aprovechamiento ha demostrado ser realmente eficaz para una producción energética importante a partir de esta fuente, de hecho, la instalación más importante del mundo esta situada en el muelle de abrigo del puerto de Mutriku, en la costa vasca. Consta de 16 turbinas Wells que funcionan bajo el principio de columna de agua oscilante y con una producción capaz para abastecer 100 hogares.
Gradiente térmico oceánico (OTEC)
Se define con esta denominación a la Técnica que permite convertir en energía útil, el gradiente de temperatura existente en una determinada zona geográfica, que se produce por la diferencia de temperatura entre la del agua de la superficie marina y la que se encuentra en ese mismo lugar a una profundidad del orden de 1.000 metros.
Para conseguir un rendimiento aceptable se considera necesario que el valor mínimo de ese gradiente alcance los 20º C, lo que limita las posibilidades de localizar emplazamientos idóneos para estos sistemas OTEC, pues se necesita una temperatura mínima del agua en la superficie de 24º C y suficiente profundidad para alcanzar los 1.000 metros, donde es posible encontrar agua marina fría a menos de 5º C.
Esta condición se cumple en zonas geográficas próximas al Ecuador y tanto en el Océano Atlántico como en el Pacífico, lo que incluye a muchas islas y archipiélagos, así como a países que se encuentran en vías de desarrollo, lo que puede ser una solución al déficit energético de los mismos, una vez que la tecnología alcance la maduración necesaria para aprovechamiento industrial. La tecnología más prometedora consiste en una planta de vapor de ciclo cerrado que utilice amoniaco como fluido agente.
Gradiente salino
Se define así a la energía que puede obtenerse a partir de la diferencia de concentración de sal, existente en la zona de desembocadura de un rio, entre la del agua marina y la del agua dulce. Se estima que el potencial existente en el mundo a partir de esta fuente es del orden 1.600 TWh/año (Aproximadamente el 50% del consumo de energía eléctrica en la Unión Europea).
El único procedimiento tecnológico existente al día de hoy es el denominado Osmosis de Presión Retardada (PRO) del cual existe un prototipo desarrollado por la empresa noruega Statkraft con una potencia de 4 kW instalado en un fiord noruego. Consiste en mantener agua dulce, separada de la salada por una membrana semipermeable y de este modo el agua fluye a través de la membrana desde la zona de agua dulce hacia la zona de agua salada, levantándose la presión en esta zona hasta los 24 o 26 Bar, lo que permite transferir esta agua de alta presión a una turbina hidráulica que arrastra un generador de energía eléctrica. Esta tecnología tiene al día de hoy un mínimo grado de madurez, estando todavía en fase experimental.
Conclusiones
El aprovechamiento de las energías renovables marinas es imprescindible para lograr el control del cambio climático, por ello es necesario llevar a cabo el desarrollo tecnológico que permita lograr su utilización industrial de modo general.
Este desarrollo, en el presente solo se está dando en el caso de la energía eólica marítima y en cuanto a generadores pilotados. Es previsible que se avance en un futuro muy próximo en el desarrollo e instalación de parques con los generadores fondeados mediante estructuras flotantes.
Para aprovechar la energía en el caso de corrientes marinas si existe tecnología útil para ello, aunque es necesario mucha inversión para lograr un numero alto de instalaciones industriales.
Al presente no existe tecnología que permita una utilización industrial de la energía de las olas, es necesario desarrollar prototipos capaces de permitir ese aprovechamiento de un modo suficientemente eficiente, no es previsible que se logreen la próxima década.
La creación de parques marinos de generación muy alejados de la costa hará imposible por razones económicas el traslado de la energía eléctrica a tierra por ello será necesario utilizar la energía in situ, creando hidrogeno mediante electrolisis del agua marina, (Hidrogeno Verde), el cual será utilizado como vector energético mediante su traslado a tierra en buques específicos.
El avance del aprovechamiento de estas energías que se dará en la década actual obligará a realizar un importante esfuerzo industrial en construcción naval y en técnicas y sistemas de instalación y aprovechamiento, lo que supondrá un muy importante nicho de mercado y la creación de un alto número de empleos de calidad.
