Los dispositivos de generación de energía a través de las olas se pueden clasificar en fijos o flotantes.
Dispositivos de generación fijos
Estos dispositivos son los que están construidos en la línea costera (en la rompiente de las olas) o fijados al lecho marino en aguas poco profundas. Los sistemas fijos tienen algunas ventajas importantes sobre los sistemas flotantes, sobre todo con respecto al mantenimiento. Sin embargo, la cantidad de lugares apropiados para este tipo de dispositivos es limitada. Más adelante están descriptos la Oscillating Water Column (Columna Oscilante de Agua), así como el sistema TAPCHAN, que son dos ejemplos de dispositivos fijos de generación de energía a través de las olas.
Columna Oscilante de Agua (Oscillating Water Column)
La Columna de Agua Oscilante (Oscillating Water Column ó OWC) genera electricidad en un proceso de dos pasos. Cuando la ola entra en la columna, fuerza al aire de la columna a pasar por la turbina e incrementa la presión dentro de la columna. Cuando la ola sale, el aire vuelve a pasar por la turbina, debido a la disminución de la presión de aire en el lado del océano de la turbina (ver Figuras 1a y 1b). Sin importar la dirección de la corriente de aire, la turbina (conocida como turbina Wells, como su inventor) gira hacia la misma dirección y hace que el generador produzca electricidad.
La tecnología OWC se está utilizando en la isla de Islay en Escocia, donde hay un sistema instalado desde el año 2000 llamado LIMPET (ver Figuras 2a y 2b). Este sistema tiene una producción máxima de 500 kW. Es ideal para lugares donde existe una fuerte energía de olas, como en la rompiente de olas, defensas costeras, proyectos de recuperación de territorio y escolleras de puertos. Esta forma de generación de energía es apropiada para la producción de energía para la red nacional. En la isla de Islay, la electricidad generada se está utilizando para hacer funcionar un bus eléctrico, el primer bus en el mundo que utiliza energía de las olas como combustible. (Green Energy Works, 2006).
El rendimiento ha sido mejorado para un promedio anual de intensidad de olas entre 15 y 25 kW/m. La columna de agua alimenta a un par de turbinas de contra – rotación, y cada una de ellas opera a un generador de 250 kW, produciendo un rango de 500 kW. El diseño de LIMPET es fácil de construir e instalar, además de generar pocas obstrucciones y ser poco visible, por lo que no genera molestias en el paisaje costero (Wave Gen, 2006).
TAPCHAN
El sistema TAPCHAN, o sistema de canal estrechado, consiste en un canal estrechado que alimenta a un embalse que está construido en un acantilado, como lo muestra la Figura 3. El estrechamiento del canal hace que las olas aumenten su amplitud (altura de las olas) cuando se acercan a la pared del acantilado. Eventualmente las olas se desbordan sobre las paredes del canal dentro del embalse, que está ubicado varios metros por debajo del nivel del mar. La energía cinética de la ola en movimiento se convierte en energía potencial cuando el agua se conserva en el embalse. La generación de electricidad es similar a la de una planta hidroeléctrica. El agua en depósito pasa por una turbina Kaplan.
El concepto de TAPCHAN es una adaptación de la producción de energía hidroeléctrica tradicional. Con muy pocas partes móviles, y todo contenido dentro del sistema de generación, los sistemas TAPCHAN tienen pocos costos de mantenimiento y son confiables. Los sistemas TAPCHAN también superan los problemas de demanda de energía, ya que el embalse puede reservar la energía hasta que ésta sea requerida.
Desafortunadamente, los sistemas TAPCHAN no son apropiados para todas las regiones costeras. Las regiones deben tener olas continuas, con un buen promedio de energía, y con un rango de mareas de menos de 1 m, además de algunas propiedades de la costa como aguas profundas cerca de la misma y una ubicación apropiada para el embalse.
WaveRoller
El dispositivo WaveRoller es una placa amarrado al fondo del océano por su parte inferior que pivotea hacia atrás y adelante. Este movimiento de las olas bajas mueve la placa, y la energía cinética producida se recoge en una bomba de pistón. Esta energía puede ser convertida en electricidad ya sea por un generador unido a la unidad WaveRoller, o por una sistema hidráulico cerrado en combinación con un sistema de generador / turbina. El WaveRoller es un concepto modular, en la práctica esto significa que la capacidad de la planta está formada por la conexión de una cantidad determinada de módulos de producción a una planta WaveRoller (ver Figuras 4 y 5). Debido al diseño modular, la planta WaveRoler puede entrar en producción gradualmente, módulo por módulo. AW-Energy señala que el mantenimiento de los módulos es sencillo y la producción de electricidad se puede mantener durante el mantenimiento de las unidades (AW-Energy, 2005).
La compañía que está desarrollando WaveRoler, AW-Energy, ha realizado pruebas marinas con el WaveRoler en el European Marine Energy Centre (Centro de Europeo de Energía Marina) en Orkney, Escocia (ver Figura 5), que han verificado el potencial de generación de energía y la aptitud del WaveRoller en la conversión de este recurso energético en electricidad. Los resultados señalan que el WaveRoller podría superar ampliamente a otras tecnologías de energía marinas, ya sea en términos de rendimiento y como en cuestiones económicas. El WaveRoller es más apto para regiones con períodos de olas largos y con distancias fuertes. Debido a la naturaleza de las olas de fondo, los niveles de energía obtenida a lo largo del año en estas regiones fluctúan bastante menos que en los dispositivos de olas de superficies o energía eólica. Logrando un producto de energía nominal de 13 kW por placa WaveRoller, los costos de inversión se elevan a aproximadamente 2100 kW en la etapa piloto (AW-Energy, 2005).
Dispositivos de generación flotantes.
Los dispositivos de generación de energía de las olas flotantes son sistemas que se encuentran flotando en el océano ya sea cerca de la costa u offshore. Los siguientes, son ejemplos de estos dispositivos de generación flotantes.
Pelamis
El Pelamis (ver Figura 6) es una estructura semi sumergida y articulada compuesta por secciones unidas por juntas de bisagra. El movimiento de estas juntas es resistido por arietes hidráulicos, que bombean aceite a alta presión a través de los motores hidráulicos. Estos motores hacen que los generadores produzcan electricidad. Se puede conectar varios dispositivos juntos y unidos a la costa a través de un solo cable que va por el fondo marino. La estructura se mantiene en posición por un sistema de anclaje compuesto por una combinación de flotantes y pesas, que previene que los cables de anclaje estén tirantes al mantener el Pelamis en su posición, y que además permiten un movimiento de vaivén con las olas entrantes. El prototipo, a escala completa, de 750 kW, tiene un largo de 120 m y un diámetro de 3.5 m y contiene tres módulos de conversión de energía, de 250 kW cada uno. Cada módulo contiene un sistema completo de generación de energía hidroeléctrica (Ocean Power Delivery, 2005).
El Pelamis es construido por Ocean Power Delivery (OPD) que recientemente anunció la firma por una orden con un consorcio portugués, dirigido por Enersis, para fabricar la fase inicial de la primera granja de olas comercial en todo el mundo. La fase inicial consistirá en tres máquinas Pelamis P-750 ubicadas a 5 km de la costa portuguesa, cerca de Póvoa de Varin. El proyecto de 8 millones de euros tendrá una capacidad instalada de 2.25 MW, y se espera que podrá suplir las necesidades de electricidad de 1500 hogares portugueses. A la espera del éxito de esta primera fase, se anticipa una orden de otras 30 máquinas Pelimos (20MW) (Ocean Power Delivery, 2005). Este nuevo dispositivo flotante es una de las historias exitosas de la industria de la energía de las olas y parece tener un futuro brillante.
Salter Duck
El Salter Duck es otro dispositivo flotante de energía de las olas, como el Pelamis, que genera electricidad a través del movimiento armónico de la parte flotante del dispositivo (al contrario de los sistemas fijos, que utilizan una turbina que se activa por el movimiento de la ola). En estos sistemas, los dispositivos suben y bajan de acuerdo al movimiento de la ola y la electricidad se genera debido a este movimiento. El Duck (Pato) rota con un movimiento de cabeceo a medida que la ola pasa. Este movimiento bombea fluido hidráulico que activa el motor hidráulico, que a su vez, activa el generador eléctrico. El Salter Duck (ver Figura) puede producir energía en un modo muy eficiente; sin embargo este proyecto fue frenado durante los años ’80 debido a errores en los cálculos de los costos de producción de energía por un factor de 10, y solamente en los últimos años, cuando esta tecnología fue revalorada, se identificó este error.
Wave Dragon (Dragón de las olas)
El Wave Dragon es esencialmente un dispositivo que eleva las olas marinas a un embalse por encima del nivel del mar, donde se permite que el agua pase por una serie de turbinas y por lo tanto se genere electricidad (ver Figura 8). La construcción del Wave Dragon es muy simple y sólo tiene como parte movible a las turbinas, lo que útil para operar offshore bajo condiciones extremas. El Wave Dragon está anclado en aguas relativamente profundas para tomar ventaja de las olas marinas antes que pierdan energía cuando llegan al área costera. El dispositivo está diseñado para mantenerse lo más firme posible, utilizando simplemente la energía potencial del agua. El agua se conserva por un tiempo en un embalse, creando una cabeza, esto quiere decir, una diferencia entre el nivel del mar y la superficie del agua en el embalse. El agua sale del embalse del Wave Dragon a través de varias turbinas generando electricidad en un modo similar al de las plantas de energía hidroeléctrica.
La rampa del Wave Dragon (ver Figura 9) se puede comparar con una playa. La rampa del Wave Dragon es muy corta y bastante empinada para minimizar la pérdida de energía que cada ola sufre cuando alcanza una playa. Una ola que se acerca a la playa cambia su geometría. La particular forma elíptica de la rampa optimiza este efecto, y el experimento del modelo ha demostrado que la fuerza aumenta significativamente. El Wave Dragon está diseñado para ubicarse offshore, a más de 20 o 30 metros de profundidad, para producir entre 4 y 11 MW, dependiendo de la actividad de las olas (Wave Dragon, 2005).
Imágenes cortesía de Wave Dragon
Columpio de olas Archimedes
Archimedes Wave Swing (Columpio de olas Arquímedes)
El Archimides Wave Swing (AWS) genera electricidad de la energía generada por la marejada marina. Es un sistema simple de cámaras de aire conectadas, que utilizan el efecto flywheel, utilizando el empuje del mar para producir energía eléctrica (UN Atlas of the Oceans, 2006).
El AWS consiste de dos cilindros. El cilindro inferior está fijado al lecho marino, mientras que el cilindro superior se mueve hacia arriba y abajo bajo la influencia de las olas (ver Figura 10). En forma simultánea, los imanes, que están fijados en el cilindro superior, se mueven a lo largo de una bobina. Como resultado, el movimiento del flotante se reduce y se genera electricidad. El interior del AWS está lleno de aire y cuando el cilindro superior se mueve hacia abajo, el aire interior se presuriza. Como resultado, se genera una fuerza contraria que fuerza al cilindro superior a subir nuevamente. Para las olas largas, la amplificación puede ser de tres veces la elevación de la ola, y es mayor para las olas cortas. La amplificación puede compararse con el efecto de un columpio. Si uno empuja el columpio en el momento exacto, el movimiento se ampliará (Archimedes Wave Swing, 2004).
Mighty Whale & JAMSTEC
(Japan Agency for Marine – Earth Science Tecnology) (La ballena poderosa y JAMSTEC – Agencia japonesa para la tecnología científica de mar y tierra)
El desarrollo de Japón comienza con los experimentos de Yoshio Masuda en los años ’40 (JAMSTEC, 1998). Se alcanzaron altos niveles en los ’70, y desde entonces una buena cantidad de prototipos se han probado exitosamente en Japón. En los años ’70 el grupo de energía de las olas de JAMSTEC desarrolló un prototipo flotante a gran escala, llamado Kaimei. Este dispositivo fue probado en el mar de Japón, cerca de la ciudad de Yura en la Prefectura Yamagata. Se completaron dos series de pruebas, una de las mismas con los auspicios de la International Energy Agency (Agencia Internacional de Energía). En los ’80, JAMSTEC desarrolló un dispositivo fijo en la costa para realizar pruebas cerca de Sanze, Prefectura Yamagata. Desde 1987, el foco ha estado en otro dispositivo flotante conocido como Mighty Whale (ver Figura 11). Las aplicaciones proyectadas para un grupo de este tipo de dispositivos incluyen el suministro de energía para granjas de peces en las aguas calmas detrás de los dispositivos, y la aireación y purificación del agua de mar. Las dimensiones del prototipo son 50 m de largo, por 30 m de ancho y 12 m de profundidad. Este diseño está diseñado para flotar en equilibrio en un prototipo de 8 m. El Mighty Whale genera electricidad cuando la ola entra a las 3 cámaras de aire ubicadas en la parte delantera del dispositivo. La superficie interna del agua se mueve hacia arriba y abajo generando una presión neumática, lo que hace girar las turbinas de aire. Esto hace que los generadores conectados a las turbinas generen electricidad a una razón máxima de 110 kW (JAMSTEC, 1998).
PowerBuoy™ (Boya de energía)
Ocean Power Technologies (OPT) ha desarrollado un sistema de generación a través de las olas conocido como PowerBuoy. El sistema utiliza una boya marítima para convertir la energía de las olas en una fuerza mecánica controlada que activa un generador eléctrico (ver Figura 12). La energía AC generada se convierte en DC de alto voltaje y se transmite a la costa a través de un cable de energía sumergido. El PowerBuoy incorpora sensores que monitorean el rendimiento y el medio ambiente oceánico circundante (Ocean Power Technologies, 2005)
