Una barrera de marea es una estructura similar a una presa que se utiliza para capturar la energía de las masas de agua que entran y salen de una bahía o río debido a las fuerzas de las mareas . [1] [2]
En lugar de contener el agua en un lado como una presa convencional , una barrera de marea permite que el agua fluya hacia una bahía o río durante la marea alta y la libera durante la marea baja . Esto se hace midiendo el flujo de marea y controlando las compuertas en momentos clave del ciclo de marea. Se colocan turbinas en estas compuertas para capturar la energía a medida que el agua fluye hacia adentro y hacia afuera. [1]
Las presas de marea se encuentran entre los métodos más antiguos de generación de energía maremotriz , y los molinos de marea se desarrollaron ya en el siglo VI. En la década de 1960 se construyó la central maremotriz de 1,7 megavatios de Kislaya Guba en Kislaya Guba , Rusia . Casi al mismo tiempo, se construyó la central maremotriz de 240 MW de La Rance en Bretaña , Francia, inaugurada en noviembre de 1966. [3] La Rance fue la presa de marea más grande del mundo durante 45 años, hasta que se puso en servicio la central maremotriz de 254 MW del lago Sihwa en Corea del Sur en 2011. [4] Sin embargo, hay pocos otros ejemplos en todo el mundo.
El método de presa para extraer energía de las mareas implica construir una presa a lo largo de una bahía o un río que esté sujeto al flujo de las mareas. Las turbinas instaladas en el muro de la presa generan energía a medida que el agua fluye dentro y fuera de la cuenca del estuario, la bahía o el río. Estos sistemas son similares a una represa hidroeléctrica que produce una carga estática o una carga de presión (una altura de presión del agua). Cuando el nivel del agua fuera de la cuenca o laguna cambia en relación con el nivel del agua en el interior, las turbinas pueden producir energía.
Los elementos básicos de una presa son los cajones , los terraplenes, las compuertas , las turbinas y las esclusas de los barcos . Las compuertas, las turbinas y las esclusas de los barcos se alojan en cajones (bloques de hormigón de gran tamaño). Los terraplenes sellan una cuenca donde no está sellada por cajones. Las compuertas aplicables a la energía maremotriz son la compuerta de aleta, la compuerta de ascenso vertical, la compuerta radial y la compuerta de sector ascendente.
Existen solo unas pocas plantas de este tipo. La primera fue la central maremotriz de Rance , en el río Rance , en Francia, que ha estado en funcionamiento desde 1966 y genera 240 MW. Una planta más grande de 254 MW comenzó a funcionar en el lago Sihwa , Corea, en 2011. Entre las plantas más pequeñas se incluyen la central generadora Annapolis Royal en la bahía de Fundy , y otra en un pequeño entrante en Kislaya Guba , Rusia . Se han considerado varias propuestas para construir una presa a través del río Severn , desde Brean Down en Inglaterra hasta Lavernock Point cerca de Cardiff en Gales .
Los sistemas de presas dependen de los altos costos de infraestructura civil asociados con lo que en realidad es una represa que se coloca a través de sistemas estuarinos. A medida que las personas se han vuelto más conscientes de los problemas ambientales, se han opuesto a las presas debido a los efectos adversos asociados con el cambio de un gran ecosistema que es hábitat para muchas variedades de especies.
La cuenca se llena a través de las compuertas hasta que sube la marea. Luego se cierran las compuertas (en esta etapa puede haber un "bombeo" para aumentar aún más el nivel). Las compuertas de las turbinas se mantienen cerradas hasta que el nivel del mar baja, con el fin de crear suficiente carga en la presa. Las compuertas se abren para que las turbinas generen hasta que la carga baje nuevamente. Luego se abren las compuertas, se desconectan las turbinas y la cuenca se llena nuevamente. El ciclo se repite con las mareas. La generación de reflujo (también conocida como generación de flujo de salida) toma su nombre porque la generación ocurre cuando la marea cambia la dirección de la marea.
La cuenca se llena mediante turbinas que generan agua durante las crecidas de marea. Esto es generalmente mucho menos eficiente que la generación de reflujo, porque el volumen contenido en la mitad superior de la cuenca (que es donde funciona la generación de reflujo) es mayor que el volumen de la mitad inferior (que se llena primero durante la generación de crecida). Por lo tanto, la diferencia de nivel disponible (importante para la energía producida por las turbinas) entre el lado de la cuenca y el lado del mar de la presa se reduce más rápidamente que en la generación de reflujo. Los ríos que fluyen hacia la cuenca pueden reducir aún más el potencial energético, en lugar de aumentarlo como en la generación de reflujo. Por supuesto, esto no es un problema con el modelo de "laguna", sin afluencia fluvial.
Las turbinas pueden funcionar en sentido inverso con el exceso de energía en la red para aumentar el nivel del agua en la cuenca durante la marea alta (para generar agua en reflujo). Gran parte de esta energía se devuelve durante la generación, porque la potencia de salida está estrechamente relacionada con la altura de elevación. Si el agua se eleva 2 pies (61 cm) mediante bombeo durante una marea alta de 10 pies (3 m), se habrá elevado 12 pies (3,7 m) durante la marea baja.
Otra forma de configuración de presas de energía es la de tipo de cuenca doble. Con dos cuencas, una se llena durante la marea alta y la otra se vacía durante la marea baja. Las turbinas se colocan entre las cuencas. Los esquemas de dos cuencas ofrecen ventajas sobre los esquemas normales en el sentido de que el tiempo de generación se puede ajustar con gran flexibilidad y también es posible generar de manera casi continua. Sin embargo, en situaciones estuarinas normales, los esquemas de dos cuencas son muy costosos de construir debido al costo de la longitud adicional de la presa. Sin embargo, existen algunas geografías favorables que se adaptan bien a este tipo de esquema.
Las pozas de marea [5] son presas de contención independientes construidas en tierras de estuarios de marea de nivel alto que atrapan el agua alta y la liberan para generar energía, una sola poza, alrededor de 3,3 W/m2 . Dos lagunas que funcionan en diferentes intervalos de tiempo pueden garantizar una salida de energía continua, alrededor de 4,5 W/m2 . La serie de lagunas de marea de almacenamiento por bombeo mejorado [6] eleva el nivel del agua más alto que la marea alta y utiliza energías renovables intermitentes para el bombeo, alrededor de 7,5 W/m2 . es decir, 10 × 10 km2 ofrecen una salida constante de 750 MW las 24 horas del día, los 7 días de la semana. Estas presas independientes no bloquean el flujo del río.
La construcción de una presa en un estuario tiene un efecto considerable sobre el agua dentro de la cuenca y sobre el ecosistema. En los últimos tiempos, muchos gobiernos se han mostrado reacios a conceder la aprobación de presas de marea. A través de la investigación realizada sobre plantas de marea, se ha descubierto que las presas de marea construidas en las desembocaduras de los estuarios plantean amenazas ambientales similares a las de las grandes represas. La construcción de grandes plantas de marea altera el flujo de agua salada que entra y sale de los estuarios, lo que cambia la hidrología y la salinidad y podría dañar a los mamíferos marinos que utilizan los estuarios como su hábitat. [7] La planta de La Rance, frente a la costa de Bretaña en el norte de Francia, fue la primera y más grande planta de presa de marea del mundo. También es el único sitio donde se ha realizado una evaluación a gran escala del impacto ecológico de un sistema de energía maremotriz, que funciona desde hace 20 años. [8]
Los investigadores franceses descubrieron que el aislamiento del estuario durante las fases de construcción de la presa de marea fue perjudicial para la flora y la fauna; sin embargo, después de diez años, ha habido un "grado variable de ajuste biológico a las nuevas condiciones ambientales". [8]
Algunas especies perdieron su hábitat debido a la construcción de La Rance, pero otras especies colonizaron el espacio abandonado, lo que provocó un cambio en la diversidad. También como resultado de la construcción, desaparecieron bancos de arena, la playa de St. Servan resultó gravemente dañada y se desarrollaron corrientes de alta velocidad cerca de las compuertas, que son canales de agua controlados por compuertas. [9]
La turbidez (cantidad de materia en suspensión en el agua) disminuye como resultado de un menor volumen de intercambio de agua entre la cuenca y el mar. Esto permite que la luz del sol penetre más en el agua, mejorando las condiciones para el fitoplancton . Los cambios se propagan a lo largo de la cadena alimentaria , lo que provoca un cambio general en el ecosistema .
Las vallas y turbinas de marea, si se construyen adecuadamente, plantean menos amenazas ambientales que las presas de marea. Las vallas y turbinas de marea, al igual que los generadores de corrientes de marea , dependen completamente del movimiento cinético de las corrientes de marea y no utilizan presas o presas para bloquear canales o desembocaduras de estuarios . A diferencia de las presas, las vallas y turbinas de marea no interrumpen la migración de peces ni alteran la hidrología , por lo que estas opciones ofrecen capacidad de generación de energía sin impactos ambientales nefastos. Las vallas y turbinas de marea pueden tener diferentes impactos ambientales dependiendo de si las vallas y turbinas se construyen o no teniendo en cuenta el medio ambiente. El principal impacto ambiental de las turbinas es su impacto en los peces. Si las turbinas se mueven lo suficientemente lento, como a velocidades bajas de 25 a 50 rpm, la muerte de peces se minimiza y el limo y otros nutrientes pueden fluir a través de las estructuras. Por ejemplo, un prototipo de turbina de marea de 20 kW construido en la vía marítima del San Lorenzo en 1983 no informó muertes de peces. Las vallas de marea bloquean los canales, lo que dificulta la migración de peces y vida silvestre a través de ellos. Para reducir la mortandad de peces, las vallas podrían diseñarse de modo que los espacios entre la pared del cajón y la lámina del rotor sean lo suficientemente grandes como para permitir el paso de los peces. Los mamíferos marinos más grandes, como las focas o los delfines, pueden protegerse de las turbinas mediante vallas o un sistema de frenado automático con sensor de sonar que apague automáticamente las turbinas cuando se detecten mamíferos marinos. [7]
Como resultado del menor intercambio de agua con el mar, la salinidad promedio dentro de la cuenca disminuye, afectando también al ecosistema. [ cita requerida ] Las "lagunas mareales" no sufren este problema. [ cita requerida ]
Los estuarios suelen tener un gran volumen de sedimentos que se desplazan a través de ellos, desde los ríos hasta el mar. La introducción de una presa en un estuario puede provocar la acumulación de sedimentos dentro de la presa, lo que afecta al ecosistema y también al funcionamiento de la presa.
Los peces pueden moverse a través de las compuertas de manera segura, pero cuando están cerradas, los peces buscarán turbinas e intentarán nadar a través de ellas. Además, algunos peces no podrán escapar de la velocidad del agua cerca de una turbina y serán succionados. Incluso con el diseño de turbina más amigable para los peces, la mortalidad de peces por paso es de aproximadamente el 15% [ cita requerida ] (por caída de presión, contacto con aspas, cavitación , etc.). Las tecnologías de paso alternativas ( escaleras para peces , elevadores para peces, escaleras mecánicas para peces, etc.) hasta ahora no han logrado resolver este problema para las presas de marea, ya sea ofreciendo soluciones extremadamente costosas o que son utilizadas solo por una pequeña fracción de peces. La investigación en la guía sónica de peces está en curso. [ cita requerida ] La turbina de centro abierto reduce este problema permitiendo que los peces pasen a través del centro abierto de la turbina.
Recientemente se ha desarrollado en Francia una turbina de tipo corriente de agua. Se trata de una turbina de tipo Kaplan de gran tamaño y rotación lenta , montada en un ángulo. Las pruebas de mortalidad de peces han indicado que las cifras de mortalidad de peces son inferiores al 5 %. Este concepto también parece muy adecuado para su adaptación a las turbinas de mareas o corrientes marinas. [10]
La energía disponible de una presa depende del volumen de agua. La energía potencial contenida en un volumen de agua es: [11]
dónde:
El factor de la mitad se debe a que, a medida que la cuenca fluye vacía a través de las turbinas, la carga hidráulica sobre la presa se reduce. La carga máxima solo está disponible en el momento de estiaje, suponiendo que el nivel de agua alta todavía esté presente en la cuenca.
Supuestos:
Masa del agua de mar = volumen del agua de mar × densidad del agua de mar
Contenido de energía potencial del agua en la cuenca durante la marea alta = ½ × área × densidad × aceleración gravitacional × rango de marea al cuadrado
Ahora tenemos 2 mareas altas y 2 mareas bajas cada día. En marea baja, la energía potencial es cero.
Por lo tanto, el potencial energético total por día = Energía para una sola marea alta × 2
Por lo tanto, el potencial medio de generación de energía = Potencial de generación de energía / tiempo en 1 día
Suponiendo que la eficiencia de conversión de energía es del 30%: La energía promedio diaria generada = 104 MW * 30%
Debido a que la potencia disponible varía con el cuadrado de la amplitud de la marea, es mejor colocar una barrera en un lugar con mareas de gran amplitud. Se encuentran lugares adecuados en Rusia, Estados Unidos, Canadá, Australia, Corea y el Reino Unido. Se dan amplitudes de hasta 17 m (56 pies), por ejemplo, en la bahía de Fundy , donde la resonancia de la marea amplifica la amplitud de la marea.
Los proyectos de generación de energía mediante presas de marea tienen un alto costo de capital y un costo de funcionamiento muy bajo. Como resultado, un proyecto de energía maremotriz puede no producir ganancias durante muchos años y los inversores pueden ser reacios a participar en tales proyectos.
Según se informa, se necesitaron alrededor de 20 años para recuperar los 100 millones de dólares que costó construir la planta de energía mareomotriz de Rance. A partir de 2024 [actualizar], ha estado funcionando durante 60 años y el costo de la energía mareomotriz es menor que el de la energía nuclear o solar, por lo que ha recuperado con creces los costos de construcción. [3]
Los gobiernos pueden financiar la energía de las presas de marea, pero muchos no están dispuestos a hacerlo debido también al desfase temporal que hay que esperar para obtener el retorno de la inversión y al elevado compromiso irreversible. Por ejemplo, la política energética del Reino Unido [12] reconoce el papel de la energía de las mareas y expresa la necesidad de que los ayuntamientos comprendan los objetivos nacionales más amplios de la energía renovable a la hora de aprobar proyectos de energía de las mareas. El propio gobierno del Reino Unido aprecia la viabilidad técnica y las opciones de emplazamiento disponibles, pero no ha proporcionado incentivos significativos para avanzar en estos objetivos.
