Una presa de marea es una estructura similar a una presa que se utiliza para capturar la energía de masas de agua que entran y salen de una bahía o río debido a las fuerzas de las mareas . [1] [2]
En lugar de represar el agua en un lado como una presa convencional , una presa de marea permite que el agua fluya hacia una bahía o río durante la marea alta , y libera el agua 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 entra y sale. [1]
Las presas mareomotrices se encuentran entre los métodos más antiguos de generación de energía mareomotriz , y los molinos mareomotrices se desarrollaron ya en el siglo VI. En la década de 1960 se construyó la central mareomotriz de Kislaya Guba, de 1,7 megavatios, en Kislaya Guba , Rusia . Casi al mismo tiempo, se construyó la central mareomotriz de La Rance de 240 MW en Bretaña , Francia, y se inauguró en noviembre de 1966. [3] La Rance fue la presa de mareas más grande del mundo durante 45 años, hasta la central de mareas del lago Sihwa de 254 MW. se encargó en Corea del Sur en 2011. [4] Sin embargo, hay pocos ejemplos más en todo el mundo.
El método de presa para extraer energía de las mareas implica construir una presa a través de una bahía o río sujeto al flujo de las mareas. Las turbinas instaladas en el muro de presa generan energía a medida que el agua entra y sale de la cuenca del estuario, la bahía o el río. Estos sistemas son similares a una presa hidroeléctrica que produce una altura estática o una altura 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 dentro, las turbinas pueden producir energía.
Los elementos básicos de una presa son cajones , terraplenes, compuertas , turbinas y esclusas para barcos . Las compuertas, las turbinas y las esclusas de 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 mareomotriz son la compuerta de aleta, la compuerta ascendente vertical, la compuerta radial y el sector ascendente.
Sólo existen unas pocas plantas de este tipo. La primera fue la Central Mareomotriz de Rance , en el río Rance , en Francia, que funciona desde 1966 y genera 240MW. Una planta más grande de 254 MW comenzó a operar en el lago Sihwa , Corea, en 2011. Las plantas más pequeñas incluyen la Estación Generadora Real de Annapolis en la Bahía de Fundy y otra en una pequeña ensenada en Kislaya Guba , Rusia . Se han considerado varias propuestas para una presa a través del río Severn , desde Brean Down en Inglaterra hasta Lavernock Point cerca de Cardiff en Gales .
Los sistemas de presa dependen de altos costos de infraestructura civil asociados con lo que en realidad es una presa que se coloca a través de sistemas estuarinos. A medida que la gente se ha vuelto más consciente de los problemas ambientales, se ha opuesto a los bombardeos debido a los efectos adversos asociados con el cambio de un gran ecosistema que es hábitat de muchas variedades de especies.
La cuenca se llena a través de las compuertas hasta la marea alta. Luego se cierran las compuertas. (En esta etapa puede haber un "Bombeo" para subir aún más el nivel). Las compuertas de las turbinas se mantienen cerradas hasta que baja el nivel del mar, para crear suficiente altura a través de la barrera. Las compuertas se abren para que las turbinas generen hasta que la altura vuelva a ser baja. Luego se abren las compuertas, se desconectan las turbinas y se vuelve a llenar el depósito. 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 de dirección.
La cuenca se llena a través de turbinas, que generan durante la inundación de la 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 opera la generación de reflujo) es mayor que el volumen de la mitad inferior (que se llena primero durante la generación de inundación). Por lo tanto, la diferencia de nivel disponible (importante para la energía producida por la turbina) 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 desembocan en la cuenca pueden reducir aún más el potencial energético, en lugar de aumentarlo como ocurre con la generación de reflujo. Por supuesto esto no es un problema con el modelo "laguna", sin afluencia de ríos.
Las turbinas pueden funcionar a la inversa con el exceso de energía en la red para aumentar el nivel del agua en la cuenca durante la marea alta (para generación de reflujo). Gran parte de esta energía se devuelve durante la generación, porque la producción de energía está fuertemente relacionada con la cabeza. Si el agua se eleva 2 pies (61 cm) bombeando 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 presa de energía es la del tipo de doble cuenca. Con dos cuencas, una se llena con la marea alta y la otra se vacía con 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 casi continuamente. Sin embargo, en situaciones estuarinas normales, los sistemas de dos cuencas son muy costosos de construir debido al costo de la longitud adicional de la presa. Sin embargo, hay algunas geografías favorables que se adaptan bien a este tipo de esquema.
Las piscinas de marea [5] son presas envolventes independientes construidas en estuarios de alto nivel que atrapan el agua alta y la liberan para generar energía, una sola piscina, alrededor de 3,3 W/m 2 . Dos lagunas que funcionan en diferentes intervalos de tiempo pueden garantizar una producción de energía continua, alrededor de 4,5 W/m 2 . La serie de lagunas de almacenamiento por bombeo mejoradas [6] eleva el nivel del agua por encima de la marea alta y utiliza energías renovables intermitentes para el bombeo, alrededor de 7,5 W/m 2 . es decir, 10 × 10 km 2 ofrece una potencia 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 colocación de una presa en un estuario tiene un efecto considerable sobre el agua dentro de la cuenca y sobre el ecosistema. Muchos gobiernos se han mostrado reacios en los últimos tiempos a conceder aprobación para presas de mareas. A través de investigaciones realizadas 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 posiblemente podría dañar a los mamíferos marinos que utilizan los estuarios como 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 barreras mareales del mundo. También es el único sitio donde se ha realizado una evaluación a gran escala del impacto ecológico de un sistema de energía mareomotriz, en funcionamiento durante 20 años. [8]
Sin embargo, los investigadores franceses descubrieron que el aislamiento del estuario durante las fases de construcción de la presa de marea era perjudicial para la flora y la fauna; después de diez años, ha habido un "grado variable de adaptación biológica 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. Como resultado de la construcción también desaparecieron los bancos de arena, la playa de St. Servan resultó gravemente dañada y se formaron corrientes rápidas cerca de las esclusas, que son canales de agua controlados por compuertas. [9]
La turbidez (la cantidad de materia en suspensión en el agua) disminuye como resultado del menor volumen de agua que se intercambia 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 , provocando un cambio general en el ecosistema .
Las barreras y turbinas contra las mareas, si se construyen adecuadamente, plantean menos amenazas ambientales que las barreras contra las mareas. Las barreras y turbinas contra las mareas, al igual que los generadores de corrientes de marea , dependen completamente del movimiento cinético de las corrientes de marea y no utilizan presas ni presas para bloquear canales o desembocaduras de estuarios . A diferencia de las presas, las barreras contra las mareas no interrumpen la migración de los peces ni alteran la hidrología , por lo que estas opciones ofrecen capacidad de generación de energía sin impactos ambientales nefastos. Las vallas y turbinas contra las mareas pueden tener distintos impactos ambientales dependiendo de si las vallas y turbinas se construyen teniendo en cuenta el medio ambiente o no. El principal impacto ambiental de las turbinas es su impacto en los peces. Si las turbinas se mueven lo suficientemente lento, como a bajas velocidades 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 mareomotriz de 20 kW construido en la vía marítima de St. Lawrence en 1983 no registró muertes de peces. Las barreras contra mareas bloquean los canales, lo que dificulta la migración de peces y vida silvestre a través de esos canales. Para reducir la mortalidad de peces, se podrían diseñar vallas de manera 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 focas o delfines, pueden protegerse de las turbinas mediante vallas o un sistema de frenado automático con sensor de sonar que apaga automáticamente las turbinas cuando se detectan mamíferos marinos. [7]
Como consecuencia del menor intercambio de agua con el mar, la salinidad media dentro de la cuenca disminuye, afectando también al ecosistema. [ cita necesaria ] Las "lagunas de marea" no sufren este problema. [ cita necesaria ]
Los estuarios suelen tener un gran volumen de sedimentos que se mueven a través de ellos, desde los ríos hasta el mar. La introducción de una presa en un estuario puede resultar en la acumulación de sedimentos dentro de la presa, afectando el ecosistema y también el funcionamiento de la presa.
Los peces pueden moverse a través de las compuertas de manera segura, pero cuando éstas están cerradas, 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 respetuoso con los peces, la mortalidad de peces por pasada es aproximadamente del 15% [ cita necesaria ] (por caída de presión, contacto con las palas, 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 de las barreras de marea, ya sea que ofrecen soluciones extremadamente costosas o que solo son utilizadas por una pequeña fracción de peces. Se están realizando investigaciones sobre la guía sónica de los peces. [ cita necesaria ] 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 “de pasada”. Se trata de una turbina tipo Kaplan de rotación lenta muy grande montada en 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 la adaptación a turbinas marinas de corrientes/mareas. [10]
La energía disponible de una presa depende del volumen de agua. La energía potencial contenida en un volumen de agua es: [11]
dónde:
La mitad del factor se debe al hecho de que a medida que la cuenca fluye vacía a través de las turbinas, la altura hidráulica sobre la presa se reduce. La altura máxima solo está disponible en el momento de nivel bajo de agua, asumiendo que el nivel alto de agua todavía está presente en la cuenca.
Supuestos:
Masa del agua de mar = volumen de 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 todos los días. Durante la marea baja la energía potencial es cero.
Por lo tanto, el potencial energético total por día = Energía para una única 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 sea del 30%: la energía promedio diaria generada = 104 MW * 30%
Debido a que la potencia disponible varía con el cuadrado del rango de marea, es mejor colocar una barrera en un lugar con mareas de muy alta amplitud. Se encuentran ubicaciones adecuadas en Rusia, EE. UU., Canadá, Australia, Corea y el Reino Unido. Se producen amplitudes de hasta 17 m (56 pies), por ejemplo, en la Bahía de Fundy , donde la resonancia de las mareas amplifica el rango de las mareas.
Los proyectos de energía de presas mareomotrices tienen un alto costo de capital y un costo de funcionamiento muy bajo. Como resultado, un plan de energía mareomotriz puede no producir beneficios durante muchos años y los inversores pueden mostrarse reacios a participar en dichos proyectos.
Según se informa, se necesitaron unos 20 años para recuperar los 100 millones de dólares que costó la construcción de la central mareomotriz de Rance. A partir de 2024 [actualizar], lleva 60 años funcionando con el coste de la energía mareomotriz inferior al de la nuclear o la solar, por lo que ha amortizado con creces los costes de construcción. [3]
Es posible que los gobiernos puedan financiar la energía de las mareas, pero muchos no están dispuestos a hacerlo debido también al retraso que transcurre hasta que se recupere la inversión y al elevado compromiso irreversible. Por ejemplo, la política energética del Reino Unido [12] reconoce el papel de la energía mareomotriz y expresa la necesidad de que los ayuntamientos comprendan los objetivos nacionales más amplios de la energía renovable al aprobar proyectos de mareas. El propio gobierno del Reino Unido valora la viabilidad técnica y las opciones de ubicación disponibles, pero no ha proporcionado incentivos significativos para hacer avanzar estos objetivos.
