Convertidores undimotrices de factura española

La idea de aprovechar la energía del océano no es una idea reciente. La primera patente de un convertidor de energía de las olas (WEC) se presentó a en 1799, y varios cientos de patentes relacionadas con la conversión de la energía de las olas ya existían a fines del siglo XX. La primera aplicación práctica del uso de energía de las olas de la que se tiene constancia fue realizada por Yoshio Masuda cuando empleo las olas del océano para alimentar las boyas de navegación.

El resurgimiento de la investigación sobre la energía de las olas en las décadas de 1970 y 1980 se debió en parte a las llamadas crisis del petróleo, ya que las crisis crearon la concienciación de los gobiernos y los responsables políticos sobre la naturaleza temporal y espacial de las reservas de combustibles fósiles. Las fuentes de energía renovable como opciones alternativas de suministro de energía son atractivas, ya que son inagotables y más limpias.

Además, algunos estudios han estimado de forma conservadora que esta cantidad es de hasta el 10-20% del consumo de energía mundial total actual. Algunos países han llevado a cabo estudios para estimar la cantidad de energía oceánica disponible dentro de sus países para su explotación. Por ejemplo, los Estados Unidos, Reino Unido o Australia.

Ha habido muchos conceptos y diseños de convertidores de energía de las olas a lo largo de los años. Muchos de ellos permanecieron en la etapa de diseño, la etapa de pruebas en laboratorio o la etapa de prototipo, mientras que solamente unos pocos se han desplegado. 

A pesar de todos estos estudios centrados en la tecnología de conversión de energía de las olas y la cantidad de recursos potenciales identificados, la utilización comercial de la energía de las olas del océano todavía es baja en comparación con otras fuentes renovables, como la energía solar y la energía eólica.

Muchos países han visto algún desarrollo en la planificación, instalación y operación de los convertidores de energía de las olas. Aunque la cantidad aún es baja en comparación con otras fuentes de energía renovable, como la solar y la eólica, el progreso muestra que los intereses y la conciencia en la energía de las olas del océano como una fuente de energía viable están aumentando.

En España existen varios conceptos de convertidores de olas propuestos por empresas y/o universidades, algunos de ellos operativos o en fase pre-comercial. A continuación se muestran los principales dispositivos de factura española:

(A) Arrecife (Arrecife Energy Systems):

Arrecife es una plataforma flotante de conversión de energía de las olas que simula los principios de funcionamiento de un arrecife de coral que se opone a la fuerza de las olas para crear resistencia y absorber gran parte de su energía. Opera óptimamente con alturas de olas de hasta 5 m, maximizando el número de horas de operación a plena capacidad con un factor de capacidad superior al 55%. 

El diseño patentado de Arrecife consiste en una plataforma flotante horizontal provista de varias filas de turbinas cilíndricas de flujo cruzado que emulan el efecto de los arrecifes de coral para capturar energía. Comprende los siguientes componentes: Turbinas: varias turbinas de flujo cruzado están dispuestas estratégicamente para oponerse a las olas y romperlas para capturar los componentes de energía horizontal (cinética) y vertical (potencial) de la ola. El flujo restante se pasa luego a la siguiente turbina que recupera parte de su energía inicial para repetir el proceso. Esto da como resultado una captura maximizada de la densidad de energía de la onda con tasas de conversiones> 60% en comparación con el 40% de las turbinas WEC actuales. El diseño mecánico de las turbinas fabricadas con acero es satisfactorio al someterlas a olas de 6 m. Por lo tanto, el sistema está diseñado para funcionar de manera óptima con alturas de onda de 1-3 m y hasta 5 m de altura, lo que constituye el 85% del recurso disponible a nivel mundial para maximizar el número de trabajo anual. Esto da como resultado factores de capacidad de > 55% en comparación con 22-33% en otros WEC. 

El sistema utiliza materiales de bajo costo y es fácil de transportar para la instalación y reparación, lo que resulta en una reducción de costos de capital y O&M del 50% y 85% en comparación con otras tecnologías offshore. Como resultado, Arrecife tiene un LCOE de 90-125 €/MWh. Arrecife también se adapta a las plataformas eólicas marinas y de petróleo/gas para la producción de energía complementaria. 

(B) Dispositivo Butterfly (Rotary Wave):

El dispositivo tiene un cuerpo principal, cuya geometría es similar a una boya tipo Spar, con una polea y dos ejes, uno en la proa y otro en la popa. También comprende un conjunto de flotadores que pueden girar alrededor de estos ejes. Los flotadores utilizan el movimiento de subida y bajada de las olas para capturar la energía. El dispositivo fue, dimensionado para las aguas con gran potencial y capacidad.

(C) Marmoka-5 (OCEANTEC):

Denominado Marmoka-5 (medusa), el dispositivo consta de tres partes fabricadas en acero que, una vez ensambladas, tienen una forma de boya vertical que contiene el equipamiento mecánico y eléctrico capaz de generar energía mediante el movimiento de las olas.

Presenta unas dimensiones de 42 metros de longitud y un diámetro de cinco metros con un peso de 80 toneladas. El dispositivo cuenta con un sistema de generación formado por dos turbinas ubicadas en su parte superior de una potencia nominal de 30 kW. Se trata de un prototipo que es un paso previo a una fase pre-comercial, en las que se instalará un dispositivo de gran potencia.

Sumergido en el mar casi en su totalidad, genera energía mediante la tecnología denominada OWC (Columna de Agua Oscilante). El vaivén de las olas forma en el interior del dispositivo una columna de agua que oscila, subiendo y bajando el nivel. Este principio provoca que el aire del interior se comprima y se descomprima, expulsándolo hacia arriba y haciendo girar a una turbina bidireccional. Esta turbina está asociada a un generador eléctrico.

(D) APC-PISYS (PIPO Systems):

Esta convertidor de energía de las olas, diseñado por PIPO Systems esta dividido en las siguientes partes principales: boyas de superficie, boyas de volumen variable, boyas de posicionamiento, sistemas de transmisión mecánica y sistemas de anclaje y amarre.

Se operan dos secciones (Boya de superficie / Boya sumergida de volumen variable). Ambas boyas están unidas por cables que son tensados ​​por fuerzas de flotación con ayuda de un molinete. Utilizando este molinete se convierten los movimientos lineales en movimientos de rotación, que finalmente oscilan en una sola dirección.

Las boyas siempre se mueven en direcciones opuestas, aumentando simultáneamente su resistencia y la distancia recorrida. La tercera boya mantiene una profundidad constante mediante su amarre en el fondo marino. En esta boya de posicionamiento se encierran los sistemas de control, generación y medición de la potencia. Los sistemas de medición oceanográfica están situados en una cámara en el interior de la boya superficial y tienen soportes externos específicos.

El principal objetivo del desarrollador es demostrar su utilidad, así como aplicar las capacidades tecnológicas de APC-PISYS a la obtención de energía y la aplicación en dispositivos autónomos de monitoreo para aplicaciones costeras y marinas.

(E) Planta de energía de las olas de Mutriku (Wavegen):

El principio de funcionamiento de la tecnología OWC (columna de agua oscilante) es muy sencillo, se basa en la creación de corrientes de aire mediante el cambio de nivel del agua en una cámara debido al movimiento de las olas. Cuando una ola llega a la cámara, el nivel de la lámina de agua de su interior asciende comprimiendo el aire que se expulsa por una pequeña apertura superior. Ese aire, que sale a gran velocidad, mueve la turbina que está acoplada al generador electrifico. Cuando se retira la ola, la lámina de agua desciende en el interior de la cámara, lo que hace que se succione aire por la apertura superior, este aire mueve de nuevo la turbina. Las turbinas siempre giran en el mismo sentido, independientemente de la dirección del aire lo cual produce un movimiento continuo del generador.

Esta planta conectada a la red está integrada con un rompeolas existente en el puerto de Mutriku. Hay 16 cámaras de aire que tienen 4.5 m de ancho, 3.1 m de profundidad y 10 m de altura (por encima del agua máxima de la marea baja de la corriente equinoccial). Un orificio de 0.75 m de diámetro conduce a una turbina de pozos y un generador eléctrico de 18.5 kW para cada cámara de aire, lo que arroja un total de 296 kW.

(F) SDK WAVES TURBINES (SENDEKIA):

El SDK Wave Turbine es un generador eléctrico que consta de una turbina hidráulica sumergida en el agua dentro de una cámara de resonancia. Cada generador mide sólo 12 metros de alto y 9.7 metros de largo y ancho y es capaz de  aportar suministro a unas 100 viviendas.

La tecnología está basada en un sistema denominado columna de agua oscilante, que genera electricidad en dos pasos. Primero la ola entra en la turbina haciendo girar las palas. Al salir el líquido, estas cambian de sentido para continuar girando y producir energía durante todo el proceso.

El producto es una transmisión infinitamente variable con derivación de potencia, que puede cambiar de forma continua la velocidad de rotación de su eje de salida en relación a su eje de entrada. La rotación del eje de salida se extiende hasta el punto muerto y la marcha atrás, de forma continua y sin la necesidad de un embrague a la vez que proporciona un par de arranque tremendo. La potencia transmitida se divide y sólo una pequeña fracción fluye a través del intercambiador y el resto fluye directamente a través de los engranajes.

(G) OCEANTEC Wave Energy Converter (OCEANTEC):

El OCEANTEC Wave Energy Converter es un dispositivo flotante que se puede clasificar como un absorbedor o atenuador lineal. La forma en que extrae la energía de las olas oceánicas se basa en el movimiento de inercia relativo que causan las ondas en un dispositivo giroscópico. Este movimiento se utiliza para alimentar un generador eléctrico a través de una serie de etapas de transformación. El dispositivo giroscópico está ubicado dentro de una estructura alargada o casco que permanece alineado con el frente de ola, lo que resulta en un movimiento de cabeceo. La estructura que comprende el absorbedor y el resto de los elementos tiene un diseño similar a un recipiente y un tamaño escalable. Este tamaño se adapta al clima marino predominante de la ubicación seleccionada.

(H) WaveCat (Universidad de Santiago de Compostela):

El WaveCat es un WEC flotante destinado al despliegue en alta mar (profundidades de agua de 50-100m), que tiene la ventaja de un mayor potencial de energía de las olas en relación con las ubicaciones en tierra o cerca de la costa (la energía de las olas disminuye a medida que las olas se acercan a la costa). Otra ventaja de WaveCat es su bajo impacto visual. El nombre WaveCat alude al hecho de que está compuesto por dos cascos, como un catamarán. A diferencia de un catamarán, sin embargo, estos cascos no son paralelos sino convergentes. El amarre de un solo punto a una boya de catenaria permite que el dispositivo oscile a medida que cambia la dirección de la ola, asegurando así que la abertura de la cuña siempre enfrenta a las olas. A medida que las ondas se propagan hacia la cuña, su altura se ve aumentada por la convergencia de los límites laterales (los cascos) hasta que, eventualmente, superan los lados internos del casco.

El exceso de agua se recoge temporalmente en tanques de cubierta. El mayor nivel de agua en estos tanques en relación con el nivel del mar se aprovecha para impulsar turbinas a la vez que se drena el agua al mar. Un problema fundamental en el diseño de un WEC, especialmente un WEC en alta mar, es su capacidad de supervivencia, es decir, su capacidad para soportar condiciones de tormentas pesadas. El diseño de WaveCat incluye una serie de elementos destinados a la supervivencia, especialmente la posibilidad de variar el ángulo formado por los cascos (en lo sucesivo, ángulo de cuña) entre 120º y 0º según el estado del mar. Cuando se aproxima una tormenta, el ángulo se reduce a 0º, es decir, la cuña se cierra, transformando así WaveCat en un monocasco, similar a un barco convencional desde el punto de vista del mar. El francobordo y el tiro también son variables: en el modelo se modificaron mediante lastre sólido; en el prototipo se utilizaron tanques de lastre llenos de agua (como en los barcos).

Además de los dos proyectos anteriores, se han desarrollado dos dispositivos muy interesantes: Ceflot y la boya Arlas Invest. El primero de ellos es similar a una boya gigante situada mar adentro. La novedad del proyecto es que la energía eléctrica obtenida es aprovechada en el mismo lugar de la generación para producir hidrogeno. El segundo proyecto también se trata de una boya, que aprovecha el efecto yo-yo del cable que la une con el fondo marino para generar electricidad.