La energía de las mareas o energía de las mareas se aprovecha convirtiendo la energía de las mareas en formas útiles de energía, principalmente electricidad, utilizando diversos métodos.
Aunque todavía no se utiliza ampliamente, la energía mareomotriz tiene potencial para la generación de electricidad en el futuro . Las mareas son más predecibles que el viento y el sol . Entre las fuentes de energía renovable , la energía mareomotriz tradicionalmente ha sufrido un costo relativamente alto y una disponibilidad limitada de sitios con rangos de marea o velocidades de flujo suficientemente altos, lo que restringe su disponibilidad total. Sin embargo, muchos desarrollos y mejoras tecnológicas recientes, tanto en el diseño (por ejemplo, energía mareomotriz dinámica, lagunas de marea ) como en la tecnología de turbinas (por ejemplo, nuevas turbinas axiales , turbinas de flujo cruzado ), indican que la disponibilidad total de energía mareomotriz puede ser mucho mayor de lo que se suponía anteriormente y que los costes económicos y medioambientales puedan reducirse a niveles competitivos.
Históricamente, los molinos de marea se han utilizado tanto en Europa como en la costa atlántica de América del Norte. El agua entrante estaba contenida en grandes estanques de almacenamiento y, cuando la marea baja, hace girar ruedas hidráulicas que utilizan la energía mecánica para moler el grano. [1] Las primeras apariciones datan de la Edad Media , o incluso de la época romana . [2] [3] El proceso de utilizar agua que cae y turbinas giratorias para generar electricidad se introdujo en Estados Unidos y Europa en el siglo XIX. [4]
Se estima que la generación de electricidad a partir de tecnologías marinas aumentó un 16% en 2018 y un 13% en 2019. [5] Se necesitan políticas que promuevan la I+D para lograr mayores reducciones de costos y un desarrollo a gran escala. La primera central mareomotriz a gran escala del mundo fue la central mareomotriz de Rance en Francia , que entró en funcionamiento en 1966. Era la central de energía mareomotriz más grande en términos de producción hasta que se inauguró la central mareomotriz del lago Sihwa en Corea del Sur en agosto de 2011. Utiliza barreras de defensa contra el malecón con 10 turbinas que generan 254 MW. [6]
La energía de las mareas se toma de las mareas oceánicas de la Tierra . Las fuerzas de marea resultan de variaciones periódicas en la atracción gravitacional ejercida por los cuerpos celestes. Estas fuerzas crean movimientos o corrientes correspondientes en los océanos del mundo. Esto da como resultado cambios periódicos en el nivel del mar, que varían a medida que la Tierra gira. Estos cambios son muy regulares y predecibles, debido al patrón consistente de la rotación de la Tierra y la órbita de la Luna alrededor de la Tierra. [7] La magnitud y las variaciones de este movimiento reflejan las posiciones cambiantes de la Luna y el Sol en relación con la Tierra, los efectos de la rotación de la Tierra y la geografía local del fondo marino y las costas .
La energía mareomotriz es la única tecnología que aprovecha la energía inherente a las características orbitales del sistema Tierra-Luna y, en menor medida, del sistema Tierra-Sol. Otras energías naturales explotadas por la tecnología humana se originan directa o indirectamente del Sol, incluidos los combustibles fósiles , la hidroeléctrica convencional , la eólica , los biocombustibles , las olas y la solar . La energía nuclear utiliza los depósitos minerales de elementos fisionables de la Tierra , mientras que la energía geotérmica utiliza el calor interno de la Tierra , que proviene de una combinación de calor residual de la acumulación planetaria (alrededor del 20%) y calor producido a través de la desintegración radiactiva (80%). [8]
Un generador de mareas convierte la energía de las corrientes de marea en electricidad. Una mayor variación de las mareas y velocidades más altas de las corrientes de marea pueden aumentar drásticamente el potencial de un sitio para la generación de electricidad mareomotriz. Por otro lado, la energía maremotriz tiene una alta confiabilidad, una excelente densidad de energía y una alta durabilidad. [9]
Debido a que las mareas de la Tierra se deben en última instancia a la interacción gravitacional con la Luna y el Sol y a la rotación de la Tierra, la energía de las mareas es prácticamente inagotable y, por lo tanto, se clasifica como un recurso de energía renovable . El movimiento de las mareas provoca una pérdida de energía mecánica en el sistema Tierra-Luna: esto resulta del bombeo de agua a través de restricciones naturales alrededor de las costas y la consiguiente disipación viscosa en el fondo marino y en turbulencias . Esta pérdida de energía ha provocado que la rotación de la Tierra se ralentice en los 4.500 millones de años transcurridos desde su formación. Durante los últimos 620 millones de años el período de rotación de la Tierra (duración de un día) ha aumentado de 21,9 horas a 24 horas; [10] en este período el sistema Tierra-Luna ha perdido el 17% de su energía de rotación. Si bien la energía mareomotriz consumirá energía adicional del sistema, el efecto es insignificante y no se notaría en el futuro previsible.
La energía mareomotriz se puede clasificar en cuatro métodos de generación:
Los generadores de corrientes de marea utilizan la energía cinética del agua en movimiento para impulsar turbinas, de manera similar a las turbinas eólicas que utilizan el viento para impulsar turbinas. Algunos generadores de mareas pueden integrarse en las estructuras de puentes existentes o estar completamente sumergidos, evitando así preocupaciones por la estética o el impacto visual. Las restricciones terrestres, como estrechos o ensenadas, pueden crear altas velocidades en sitios específicos, que pueden capturarse mediante turbinas. Estas turbinas pueden ser horizontales, verticales, abiertas o de conductos. [12]
Las presas de marea utilizan energía potencial en la diferencia de altura (o cabeza hidráulica ) entre mareas altas y bajas. Cuando se utilizan presas de marea para generar energía, la energía potencial de una marea se aprovecha mediante la colocación estratégica de presas especializadas. Cuando el nivel del mar sube y la marea comienza a subir, el aumento temporal de la energía de las mareas se canaliza hacia una gran cuenca detrás de la presa, que contiene una gran cantidad de energía potencial. Con la marea baja, esta energía se convierte en energía mecánica a medida que el agua se libera a través de grandes turbinas que crean energía eléctrica mediante el uso de generadores. [13] Las presas son esencialmente presas a lo largo de todo el ancho de un estuario de marea.
Una nueva opción de diseño de energía mareomotriz es construir muros de contención circulares con turbinas integradas que puedan capturar la energía potencial de las mareas. Los embalses creados son similares a los de las presas de marea, excepto que la ubicación es artificial y no contiene un ecosistema preexistente. [12] Las lagunas también pueden ser en formato doble (o triple) sin bombeo [14] o con bombeo [15] que aplanará la producción de energía. La potencia de bombeo podría proporcionarse mediante energía renovable excedente de la demanda de la red, procedente, por ejemplo, de turbinas eólicas o paneles solares fotovoltaicos. El exceso de energía renovable, en lugar de limitarse, podría utilizarse y almacenarse durante un período posterior. Las lagunas de marea geográficamente dispersas con un retraso entre los picos de producción también aplanarían la producción máxima, proporcionando una producción cercana a la carga base a un costo más alto que otras alternativas, como el almacenamiento de energía renovable para calefacción urbana. La cancelada Tidal Lagoon Swansea Bay en Gales, Reino Unido, habría sido la primera central de energía mareomotriz de este tipo una vez construida. [dieciséis]
La energía mareomotriz dinámica (o DTP) es una tecnología teórica que explotaría una interacción entre las energías potencial y cinética en los flujos de marea. Propone que se construyan represas muy largas (por ejemplo: de 30 a 50 km de longitud) desde las costas hasta el mar o el océano, sin encerrar un área. Se introducen diferencias en las fases de las mareas a lo largo de la presa, lo que genera una importante diferencia en el nivel del agua en los mares costeros poco profundos, con fuertes corrientes de marea oscilantes paralelas a la costa, como las que se encuentran en el Reino Unido, China y Corea.
El primer estudio de plantas de energía mareomotriz a gran escala fue realizado por la Comisión Federal de Energía de EE. UU . en 1924. Si se hubieran construido, las plantas de energía habrían estado ubicadas en la zona fronteriza norte del estado estadounidense de Maine y en la zona fronteriza sureste de la provincia canadiense de Nueva York. Brunswick, con varias presas, centrales eléctricas y esclusas para barcos que rodean la Bahía de Fundy y la Bahía de Passamaquoddy (nota: consulte el mapa de referencia). El estudio no resultó nada y se desconoce si la Comisión Federal de Energía de Estados Unidos se había puesto en contacto con Canadá en relación con el estudio. [17]
En 1956, la empresa de servicios públicos Nova Scotia Light and Power de Halifax encargó un par de estudios sobre la viabilidad del desarrollo comercial de energía mareomotriz en el lado de Nueva Escocia de la Bahía de Fundy. Los dos estudios, realizados por Stone & Webster de Boston y por Montreal Engineering Company de Montreal , concluyeron de forma independiente que se podrían aprovechar millones de caballos de fuerza (es decir, gigavatios) de Fundy, pero que los costos de desarrollo serían comercialmente prohibitivos. [18]
También hubo un informe sobre la comisión internacional en abril de 1961 titulado "Investigación del Proyecto Internacional de Energía Mareomotriz Passamaquoddy" elaborado por los gobiernos federales de Estados Unidos y Canadá. Según la relación beneficio-costo, el proyecto fue beneficioso para Estados Unidos pero no para Canadá. También se previó un sistema de carreteras a lo largo de la parte superior de las presas.
Los gobiernos de Canadá, Nueva Escocia y Nuevo Brunswick encargaron un estudio (Reevaluación de la energía mareomotriz de Fundy) para determinar el potencial de presas de marea en la Bahía de Chignecto y la Cuenca de Minas, al final del estuario de la Bahía de Fundy. Se determinó que tres sitios eran financieramente viables: Shepody Bay (1550 MW), Cumberland Basin (1085 MW) y Cobequid Bay (3800 MW). Estos nunca se construyeron a pesar de su aparente viabilidad en 1977. [19]
El Snohomish PUD , un distrito de servicios públicos ubicado principalmente en el condado de Snohomish, estado de Washington, inició un proyecto de energía mareomotriz en 2007. [20] En abril de 2009, el PUD seleccionó a OpenHydro, [21] una empresa con sede en Irlanda, para desarrollar turbinas y equipos. para una eventual instalación. El proyecto, tal como se diseñó inicialmente, consistía en colocar equipos de generación en áreas de alto flujo de marea y operar esos equipos durante cuatro a cinco años. Después del período de prueba, el equipo sería retirado. El proyecto fue presupuestado inicialmente con un costo total de $10 millones, con la mitad de esa financiación proporcionada por el PUD con fondos de reserva de servicios públicos y la otra mitad con subvenciones, principalmente del gobierno federal de Estados Unidos. El PUD pagó parte de este proyecto con reservas y recibió una subvención de $900.000 en 2009 y una subvención de $3,5 millones en 2010, además de utilizar reservas para pagar unos costos estimados en $4 millones. En 2010, la estimación presupuestaria se incrementó a 20 millones de dólares, la mitad a cargo de la empresa de servicios públicos y la otra mitad a cargo del gobierno federal. La empresa de servicios públicos no pudo controlar los costos de este proyecto y, en octubre de 2014, los costos se habían disparado a un estimado de $38 millones y se proyectaba que continuarían aumentando. El PUD propuso que el gobierno federal proporcione $10 millones adicionales para este aumento de costo, citando un acuerdo de caballeros . [22] Cuando el gobierno federal se negó a pagar esto, el PUD canceló el proyecto después de gastar casi $10 millones de reservas y subvenciones. El PUD abandonó toda exploración de energía mareomotriz después de que se canceló este proyecto y no posee ni opera ninguna fuente de energía mareomotriz.
En 1966, Électricité de France inauguró la central mareomotriz de Rance , situada en el estuario del río Rance en Bretaña . Fue la primera [23] central mareomotriz del mundo. La planta fue durante 45 años la central de energía mareomotriz más grande del mundo por capacidad instalada: sus 24 turbinas alcanzan una potencia máxima de 240 megavatios (MW) y un promedio de 57 MW, un factor de capacidad de aproximadamente el 24%.
La primera instalación de pruebas de energía marina del mundo se estableció en 2003 para iniciar el desarrollo de la industria de la energía de las olas y las mareas en el Reino Unido. Con sede en Orkney, Escocia, el Centro Europeo de Energía Marina (EMEC) ha apoyado el despliegue de más dispositivos de energía undimotriz y mareomotriz que en cualquier otro lugar del mundo. EMEC ofrece una variedad de sitios de prueba en condiciones reales del mar. Su sitio de prueba de mareas conectado a la red está ubicado en Fall of Warness , frente a la isla de Eday , en un canal estrecho que concentra la marea a medida que fluye entre el Océano Atlántico y el Mar del Norte. Esta zona tiene una corriente de marea muy fuerte, que puede viajar hasta 4 m/s (8,9 mph; 7,8 nudos; 14 km/h) en mareas vivas. Los desarrolladores de energía mareomotriz que han realizado pruebas en el sitio incluyen: Alstom (anteriormente Tidal Generation Ltd); ANDRITZ HYDRO Hammerfest; Corporación de Recursos Atlantis; Nautricidad; AbiertoHydro; Energía mareomotriz Scotrenewables; Voith. [24] El recurso podría ser de 4 TJ por año. [25] En otras partes del Reino Unido, se puede extraer energía anual de 50 TWh si se instalan 25 GW de capacidad con palas pivotantes. [26] [27] [28]
La energía de las mareas puede afectar la vida marina. Las palas giratorias de las turbinas pueden matar accidentalmente la vida marina nadando. Proyectos como el de Strangford incluyen un mecanismo de seguridad que apaga la turbina cuando se acercan animales marinos. Sin embargo, esta característica provoca una pérdida importante de energía debido a la cantidad de vida marina que pasa por las turbinas. [52] Algunos peces pueden evitar el área si se ven amenazados por un objeto ruidoso o que gira constantemente. La vida marina es un factor importante a la hora de ubicar generadores de energía mareomotriz , y se toman precauciones para garantizar que la menor cantidad posible de animales marinos se vean afectados por ella. La base de datos Tethys proporciona acceso a literatura científica e información general sobre los posibles efectos ambientales de la energía mareomotriz. [53] En términos de potencial de calentamiento global (es decir, huella de carbono), el impacto de las tecnologías de generación de energía mareomotriz oscila entre 15 y 37 gCO 2 -eq/kWhe, con un valor medio de 23,8 gCO 2 -eq/kWhe. [54] Esto está en línea con el impacto de otras energías renovables como la energía eólica y solar, y significativamente mejor que las tecnologías basadas en fósiles.
La principal preocupación ambiental con la energía de las mareas está asociada con el impacto de las palas y el enredo de organismos marinos, ya que el agua a alta velocidad aumenta el riesgo de que los organismos sean empujados cerca o a través de estos dispositivos. Como ocurre con todas las energías renovables marinas, también existe la preocupación de cómo la creación de campos electromagnéticos y emisiones acústicas puede afectar a los organismos marinos. Debido a que estos dispositivos están en el agua, la salida acústica puede ser mayor que la creada con la energía eólica marina . Dependiendo de la frecuencia y amplitud del sonido generado por los dispositivos de energía mareomotriz, esta salida acústica puede tener diversos efectos en los mamíferos marinos (particularmente aquellos que se ecolocalizan para comunicarse y navegar en el ambiente marino, como los delfines y las ballenas ). La eliminación de la energía de las mareas también puede causar preocupaciones ambientales, como la degradación de la calidad del agua en campos lejanos y la alteración de los procesos de sedimentación . [55] [56] Dependiendo del tamaño del proyecto, estos efectos pueden variar desde pequeños rastros de sedimentos que se acumulan cerca del dispositivo de marea hasta afectar gravemente a los ecosistemas y procesos cercanos a la costa. [57]
La instalación de una presa puede cambiar la línea costera dentro de la bahía o el estuario , afectando un gran ecosistema que depende de las mareas . Al inhibir el flujo de agua dentro y fuera de la bahía, también puede haber menos enjuague de la bahía o el estuario, lo que causa turbidez adicional (sólidos en suspensión) y menos agua salada, lo que puede resultar en la muerte de los peces que actúan como una fuente vital de alimento. a aves y mamíferos. Es posible que los peces migratorios tampoco puedan acceder a los arroyos de reproducción y que intenten pasar a través de las turbinas. Las mismas preocupaciones acústicas se aplican a las presas de marea. La disminución de la accesibilidad del transporte marítimo puede convertirse en un problema socioeconómico, aunque se pueden agregar esclusas para permitir un paso lento. Sin embargo, la presa puede mejorar la economía local al aumentar el acceso a la tierra como puente. Las aguas más tranquilas también pueden permitir una mejor recreación en la bahía o el estuario. [57] En agosto de 2004, una ballena jorobada nadó a través de la compuerta abierta de la Estación Generadora Real de Annapolis durante la marea baja, y terminó atrapada durante varios días antes de finalmente encontrar su camino hacia la cuenca de Annapolis . [58]
Desde el punto de vista ambiental, las principales preocupaciones son los golpes de las palas contra los peces que intentan ingresar a la laguna , la salida acústica de las turbinas y los cambios en los procesos de sedimentación. Sin embargo, todos estos efectos son localizados y no afectan a todo el estuario o bahía. [57]
El agua salada provoca corrosión en las piezas metálicas. Puede resultar difícil mantener los generadores de corrientes de marea debido a su tamaño y profundidad en el agua. El uso de materiales resistentes a la corrosión, como aceros inoxidables, aleaciones con alto contenido de níquel, aleaciones de cobre-níquel, aleaciones de níquel-cobre y titanio, puede reducir o eliminar en gran medida los daños por corrosión.
Pueden filtrarse fluidos mecánicos, como lubricantes, lo que puede ser perjudicial para la vida marina cercana. El mantenimiento adecuado puede minimizar la cantidad de productos químicos nocivos que pueden ingresar al medio ambiente.
Los eventos biológicos que ocurren al colocar cualquier estructura en una zona de altas corrientes de marea y alta productividad biológica en el océano asegurarán que la estructura se convierta en un sustrato ideal para el crecimiento de organismos marinos.
La energía mareomotriz tiene un alto costo inicial, lo que puede ser una de las razones por las que no es una fuente popular de energía renovable , aunque las investigaciones han demostrado que el público está dispuesto a pagar y apoyar la investigación y el desarrollo de dispositivos de energía mareomotriz. [59] [60] [61] Los métodos de generación de electricidad a partir de energía mareomotriz son una tecnología relativamente nueva. Sin embargo, la energía mareomotriz se encuentra todavía en una etapa muy temprana del proceso de investigación y es posible que en el futuro sea posible reducir los costes. La rentabilidad varía según el lugar de los generadores mareomotrices. Un indicador de la rentabilidad es el ratio de Gibrat, que es la longitud de la barrera en metros dividida por la producción anual de energía en kilovatios hora . [62]
Como la energía mareomotriz es confiable, se puede predecir razonablemente cuánto tiempo llevará amortizar el alto costo inicial de estos generadores. Debido al éxito de un diseño muy simplificado, la turbina ortogonal ofrece considerables ahorros de costes. Como resultado, se reduce el periodo de producción de cada unidad generadora, se necesita un menor consumo de metales y la eficiencia técnica es mayor. [63]
Un posible riesgo es que el aumento del nivel del mar debido al cambio climático pueda alterar las características de las mareas locales y reducir la generación futura de energía. [64] [65]
Los elevados factores de carga resultantes del hecho de que el agua es unas 800 veces más densa que el aire y la naturaleza predecible y fiable de las mareas en comparación con el viento hacen que la energía mareomotriz sea especialmente atractiva para la generación de energía eléctrica. El monitoreo de condición es la clave para explotarlo de manera rentable. [66]
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