Energia mareomotriz diseño Chile - Tidal energy design Chile

Universidad de las Américas

Diseño de Boya Generadora de Energía Mareomotriz.

Alain Esteban Painevilo Muñoz Guillermo Enrique Alcaino Orellana

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Universidad de las Américas

Diseño de Boya Generadora de Energía y Mareomotriz.

Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero Industrial con Mención en Automatización y Robótica.

Modelo Inicial Fase 1, Boya GEMA.

Profesor guía: Mauricio Amigo Jiménez

Alain Esteban Painevilo Muñoz Guillermo Enrique Alcaino Orellana

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Hoja en Blanco dejada intencionalmente.

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AGRADECIMIENTOS En conjunto.

Al profesor Guía Mauricio Amigo por su constante fuerza, apoyo y disponibilidad para elaborar este informe, gracias por entregarnos las directrices y guiar nuestro camino que sin duda fue muy complejo, entre familia, universidad y trabajo.

Al profesor Corrector Juan Francisco Araya, mas allá de sus ideas y ayuda, es una persona que sin duda marco el desarrollo de este trabajo, aportando con nuevas y profundas estructuraciones, renovando nuestras energías y aumentando la capacidad de proyección para este proyecto.

A todas las directivas de la Universidad de Las Américas, por su apoyo y colaboración para la realización de esta investigación.

A la Facultad de Ingeniería, por el soporte institucional dado para la realización de este trabajo desde un principio agosto del 2007, al Profesor y Coordinador Vespertino de Industrias Alfonso Vega por sus ideas y colaboración, también al Director de la Escuela de Ingeniería Iván Ávila por sus recomendaciones y gestiones para bases de concursos.

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Al profesor Rodrigo Arriagada, quien contribuyó con el aporte de conocimientos, observaciones y críticas constructivas a la realización de este trabajo, además de la formación en automatización y robótica.

A la Profesora y Coordinadora Diurna de Industrias Patricia Viera por sus gestiones, contribuciones y coordinación, por su correcta elección del equipo corrector, muchas gracias.

Por las facilidades dispuestas agradecemos a la Biblioteca de La Universidad de las Américas, sede Providencia y a los funcionarios que en ella operan, por su gentil y desinteresada cooperación.

Y finalmente a todas aquellas personas que de una u otra forma, colaboraron o participaron en la realización de esta investigación, hacemos un extensivo y sincero agradecimiento.

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AGRADECIMIENTOS Alain Esteban Painevilo Muñoz.

A mi tío Antonio (Q.e.p.d.).

A mi padre Omar.

A mi madre Uberlinda.

A mi hermana Mabel.

A mi amor Daniela.

A la familia Guajardo Muñoz.

A la familia Gallegos Painevilo.

A mis amigos, Felipe, Miguel y Francisco.

A todas las personas que confiaron en mí.

Muchas gracias…por todas sus ideas, ayuda y comprensión.

"Un Sueño en tu conciencia, está visto desde un lado superficial, aunque despierto en tu inconsciente, está dormido en lo más profundo de tu subconsciente" “La felicidad es de la vida, la alegría del momento, sueña ahora, sueña despierto”

Comparte tus conocimientos.

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AGRADECIMIENTOS

Guillermo Enrique Alcaino Orellana.

No hay trabajo de este alcance que pueda escribirse sin el apoyo de muchas personas; familiares, amigos, fuentes de información y numerosos expertos externos que, pacientemente, ofrecieron tanto sus profundos conocimientos como cuantas aclaraciones fueron precisas. Mi primer agradecimiento he de expresarlo a Víctor Alcaino, ingeniero, y a Bertie Orellana, diseñadora gráfica, por su inagotable y jovial paciencia y entusiasmo por el proyecto.

Aprecio mucho esa paciencia y espero que ahora se vea recompensada. También debo expresar un especial agradecimiento a la labor de Carla Vergara, cuya profunda comprensión de este proyecto y sus detalladas sugerencias profesionales han hecho de este trabajo un producto más integrado y legible de lo que podría haber sido sin ella.

A Don Pablo Pizarro, quien facilitó numerosos artículos de diversas publicaciones y constantes dosis de entusiasmo.

De principio a fin, Hugo Moscoso ha sido un ayudante más que modélico, que mantuvo ordenada en todo momento la extensa colección de datos de investigación y que nos ayudó de mil maneras con gran inteligencia, responsabilidad y buen humor en toda ocasión.

Finalmente, una lista como ésta no estaría completa sin el agradecimiento especial a mi familia, que silenciosa e incondicionalmente me apoyó y cooperó para sacar adelante este trabajo.

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DEDICATORIA

A la energĂ­a superior omnipresente.

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RESUMEN Este trabajo tiene como objetivo plasmar nuestras visiones sobre las energías renovables no convencionales, en particular la energía mareomotriz, y entregar a los lectores nuevas proyecciones e ideas en relación a estos tipos de energías, en una primera etapa se muestra el estado del arte actual, de otros tipos de energías para crear un marco informativo para el lector; posteriormente se analiza en detalle la energía mareomotriz en Chile y en el mundo, su evolución, sus principales plantas generadoras, dispositivos, modelos desarrollados etc., estos dispositivos son presentados para que el lector tenga una opinión con respecto a la energía utilizando el mar, su futuro, y sus aplicaciones etc. En una segunda etapa se propone y diseña un dispositivo alternativo para la generación de energía eléctrica en base a energía mareomotriz. Los conocimientos modernos sobre control y automatización, el diseño implica control, resistencia, simplicidad y estabilidad, el diseño se desarrollara en las siguientes etapas; modelación matemática, dentro de esta etapa se realiza la elección FODA del modelo a simular, a continuación del modelo matemático se emplearan ecuaciones dinámicas para ejecutar pruebas a varias señales de entrada, a continuación se optimizan las simulaciones y se comparan en distintos escenarios para chequear el comportamiento del modelo, en esta etapa se emplea el software Matlab, Simulink. En una etapa final se analizan los resultados obtenidos y se realiza un diseño 3D, empleando los software Solid Edge, Flash MX y SketchUp. Finalmente se discute el alcance real del trabajo y se exponen puntos de vista, mejoras y trabajos futuros, y se presentan las conclusiones sobre el trabajo en general.

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SUMMARY This work has the objective to deploy our visions about the non-conventional renewable energies, mainly the wave & tidal sea energy, and to bring the readers new projections and ideas regarding these types of energies. In a first stage, the current state-of-art of other types of energies is presented , in order to create an informative survey for the reader; after this, the sea energy –both in Chile and the world— is analyzed, together with its evolution, its main generating plants, devices, developed models, etc. These devices are presented to the reader for him to have an opinion regarding the energy using the sea, its future and its new applications. In a second stage, an alternative device is proposed and designed, for the generation of electrical energy based on sea energy, according modern control & automation techniques. The design conveys control, resistance, simplicity and stability. The design is developed under the following steps: a) Mathematical models: under this stage a SWOT (Strengths, Weaknesses, Opportunities, Threats) selection is performed in order to choose a proper model to simulate, b) Next, dynamical equations are employed, in order to run response tests from several signal inputs, c) Next, simulations are optimized, and several scenarios are contrasted in order to check the model’s behavior; under this stage, the Matlab/Simulink software is employed, d) At a final step, the obtained results are analyzed, and a 3D design is built, using the Solid Edge, Flash MX and SketchUp softwares.

Finally, the real scope of the project is discussed, view points, improvements & future works are exposed, and the conclusions about the whole project are presented.

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INDICE GENERAL Agradecimientos en conjunto ........................................................................................................................................ 5 Agradecimientos Alain Esteban Painevilo Muñoz......................................................................................................... 7 Agradecimientos Guillermo Enrique Alcaino Orellana ................................................................................................. 8 Dedicatoria ..................................................................................................................................................................... 9 Resumen....................................................................................................................................................................... 11 Summary ...................................................................................................................................................................... 12 INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................................... 18 Motivación y visión general. ............................................................................................................................ 20 Objetivo General .............................................................................................................................................. 21 Objetivos Específicos ....................................................................................................................................... 22 Aplicaciones. .................................................................................................................................................... 24 Alcances y limitaciones.................................................................................................................................... 25 Beneficios esperados. ....................................................................................................................................... 27 Factores de riesgo............................................................................................................................................. 28 CAPÍTULO 1 Diagnóstico Situación Actual ............................................................................................................... 29 Petróleo ............................................................................................................................................................ 36 Reservas de petróleo......................................................................................................................................... 36 Gas Natural....................................................................................................................................................... 37 Reservas de Gas Natural .................................................................................................................................. 39 Carbón .............................................................................................................................................................. 39 Reservas de carbón en el mundo ...................................................................................................................... 40 Energía Nuclear................................................................................................................................................ 41 Generación Eléctrica ........................................................................................................................................ 41 Hidroelectricidad y Energías Renovables ........................................................................................................ 42 Geotérmica ....................................................................................................................................................... 44 Hidrógeno......................................................................................................................................................... 46 Biomasa y Biogás............................................................................................................................................. 48 Eólica ............................................................................................................................................................... 49 Solar Termoeléctrica ........................................................................................................................................ 49 Hidráulica......................................................................................................................................................... 50 Otras variables sobre la Energía. ...................................................................................................................... 52 Estado de la energía en CHILE ........................................................................................................................ 54 Energía en Chile. .............................................................................................................................................. 54 Energías Primarias en Chile. ............................................................................................................................ 55

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Energías Renovables en Chile. ......................................................................................................................... 59 Energía biomasa en Chile................................................................................................................................. 62 Energía eólica en Chile .................................................................................................................................... 63 Energía geotérmica en Chile. ........................................................................................................................... 64 Energía hídrica en Chile. .................................................................................................................................. 66 Energía solar en Chile. ..................................................................................................................................... 67 La energía mareomotriz en Chile. .................................................................................................................... 68 Central mareomotriz sobre el canal de Chacao. ............................................................................................... 69 El proyecto de René Fischman y Blue Energy, Terraplén................................................................................ 73 Energías secundarias en Chile. ......................................................................................................................... 75 Matriz energética de Chile y Consumo ............................................................................................................ 77 Energías renovables.......................................................................................................................................... 78 La energía eléctrica .......................................................................................................................................... 78 Generación, transmisión y distribución. ........................................................................................................... 79 Sistemas eléctricos. .......................................................................................................................................... 80 Hidrocarburos: gas y petróleo .......................................................................................................................... 80 La matriz energética de Chile........................................................................................................................... 83 Composición de la matriz eléctrica de Chile .................................................................................................... 84 CAPÍTULO 2 Las Proyecciones .................................................................................................................................. 91 CAPITULO 3 La Energia Mareomotriz....................................................................................................................... 96 Central del Rance ............................................................................................................................................. 99 Central de la bahía de Fundy. ......................................................................................................................... 102 Central de Kislaya .......................................................................................................................................... 104 Parque de olas Aguzadora .............................................................................................................................. 107 Estaciones mareomotrices en China............................................................................................................... 108 Planta generadora Jiangxia............................................................................................................................. 109 Proyectos en Estudio ...................................................................................................................................... 111 Estado del Arte en dispositivos de Generación .............................................................................................. 112 Prototipos Existentes ...................................................................................................................................... 114 Seaflow........................................................................................................................................................... 114 Ceflot.............................................................................................................................................................. 114 Tapered Channel (TAPCHAN): Canal Rematado en Punta........................................................................... 115 AquaBouy-Aqua Energy Group.................................................................................................................... 115 Pendulor ........................................................................................................................................................ 116 Salter Duck: Pato Salter ................................................................................................................................. 118 Pelamis ........................................................................................................................................................... 120

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Hidroflot......................................................................................................................................................... 121 Ocean Power Technologies: OPT .................................................................................................................. 122 IPS.................................................................................................................................................................. 123 Oyster. ............................................................................................................................................................ 124 AWS - Archimedes Wave Swing ................................................................................................................... 125 Wave Dragon ................................................................................................................................................. 127 Waveplane...................................................................................................................................................... 128 Stingray .......................................................................................................................................................... 129 Pipo Systems .................................................................................................................................................. 130 Marine Current Turbines ................................................................................................................................ 131 Wavegen......................................................................................................................................................... 132 Smdhydrovision Tidel Proyect ....................................................................................................................... 133 Rotech Tidal Turbine ..................................................................................................................................... 133 Tidal Electric Limited .................................................................................................................................... 135 Greenwave...................................................................................................................................................... 136 FO3- Fred Olsen Buldra ................................................................................................................................. 137 Tidal Stream ................................................................................................................................................... 138 Kobold Turbine Generator ............................................................................................................................. 139 Blue Energy Ocean Turbina ........................................................................................................................... 140 SMD Hydrovision .......................................................................................................................................... 141 OWC: Columna de Agua Oscilante ............................................................................................................... 142 DeltaStream.................................................................................................................................................... 143 Anaconda........................................................................................................................................................ 144 WaveRoller .................................................................................................................................................... 145 Mighty Whale................................................................................................................................................. 146 Dispositivos de Columna Oscilante de agua, Oscillating Water Column (OWCs) ....................................... 148 Conversión Primaria....................................................................................................................................... 148 Conversión Secundaria................................................................................................................................... 150 Métodos de Transformación de la Energía Undimotriz ................................................................................. 152 Viabilidad Legislativa .................................................................................................................................... 155 Ley 20.018...................................................................................................................................................... 155 Ley 19.940...................................................................................................................................................... 155 Decreto supremo Nº 244 ................................................................................................................................ 156

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CAPÍTULO 4 Diseño de La Solucion........................................................................................................................ 158 Consideraciones para el diseño. ..................................................................................................................... 158 Modelos Aplicables para el Diseño ................................................................................................................ 172 Modelo 1: Dinámica de fuerzas sobre un objeto flotante ............................................................................... 172 Modelo 2: Hidrodinámico de un objeto flotante ............................................................................................ 175 Modelo 3: De un objeto flotante soporte superior .......................................................................................... 178 Modelo 4: De objeto flotante con anclaje rígido ............................................................................................ 180 Modelo 5: De generación con soporte superior rígida.................................................................................... 187 Modelos aplicables nuevos............................................................................................................................. 190 Modelo 6: Sistema de flotación con soporte no rígido y generador en parte superior ................................... 190 Modelo 7: Sistema de flotación con soporte no rígido y generador en parte inferior..................................... 191 Modelo 8: Sistema de flotación con soporte no rígido y generador en parte media....................................... 192 Evolución futura de posibles diseños ............................................................................................................. 193 Modelo futuro 1.............................................................................................................................................. 193 Modelo futuro 2.............................................................................................................................................. 195 Modelo futuro 3.............................................................................................................................................. 198 Modelo futuro 4.............................................................................................................................................. 202 Modelo futuro 5.............................................................................................................................................. 205 Modelo futuro 6.............................................................................................................................................. 208 Análisis FODA de los diseños aplicables...................................................................................................... 212 Resultados de Matriz FODA .......................................................................................................................... 217 CAPÍTULO 5 Simulacion del Diseño........................................................................................................................ 218 Diseño. ........................................................................................................................................................... 218 Diseño a modelar............................................................................................................................................ 218 Otras figuras. .................................................................................................................................................. 221 Memoria de cálculo ........................................................................................................................................ 222 Parámetros de Modelación ............................................................................................................................. 222 Generador Lineal............................................................................................................................................ 224 Modelación..................................................................................................................................................... 227 Tabla de Cálculos ........................................................................................................................................... 227 Modelación del flujo y la FEM ...................................................................................................................... 228 Parametros Electricos de la boya GEMA....................................................................................................... 231 Parámetros Adicionales.................................................................................................................................. 231 Otros Parámetros ............................................................................................................................................ 232 Estimacion de la potencia Generada............................................................................................................... 233 Circuitos Eléctricos Equivalentes................................................................................................................... 233

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Potencia Obtenida .......................................................................................................................................... 234 Dimensionado de Boya Generadora de Energia Mareomotriz (Boya GEMA) .............................................. 235 Sistema de generación de energía mareomotriz matricial “SGEMA”............................................................ 237 Evaluacion de Costos Proyecto: Boya generadora de Energia Mareomotriz (Boya GEMA)......................... 239 Costos de materiales por unidad gema (por el mandante) .............................................................................. 239 Costos fijos de operación (por operaciones, no por parte del mandante) ....................................................... 240 Costos fijos de fabricacion (por instalacion, por parte del mandante)............................................................ 241 Costos de servicios de instalacion (por parte del mandante) .......................................................................... 241 Costo del proyecto (por el mandante) ............................................................................................................ 242 Costo del proyecto (por el mandante) – 30 unidades gema............................................................................ 242 Carta Gantt Proyecto: Boya Generadora de Energia Mareomotriz (Boya GEMA)....................................... 245 Especificaciones del sistema .......................................................................................................................... 246 Construcción del Generador de Energía Mareomotriz ................................................................................... 247 Instalación y Mantenimiento de GEMA......................................................................................................... 248 CAPÍTULO 6 Resultados........................................................................................................................................... 249 Resultados con Variables Estocásticas ........................................................................................................... 250 Evaluación de la Solución .............................................................................................................................. 255 Discusión 6.1.................................................................................................................................................. 259 CAPÍTULO 7 Conclusiones....................................................................................................................................... 260 Motivacion final ............................................................................................................................................. 262 CAPÍTULO 8 Bibliografia......................................................................................................................................... 264

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INTRODUCCIÓN En la sociedad moderna, cada día aumenta el consumo de energía, pero a la vez disminuyen los recursos limitados que posee el mundo. Debido a esta situación uno de los principales problemas a nivel mundial, es el agotamiento de las fuentes de energía convencionales, ya que las necesidades energéticas son crecientes y los recursos escasos, pronosticando un constante incremento de los precios de estas energías para el futuro. Otro de los problemas que afectan nuestro planeta, es la destrucción de nuestro ecosistema, por lo que es fundamental buscar alternativas de energías renovables no convencionales, que disminuyan el gas de efecto invernadero, provoquen un mínimo impacto ambiental, y así eviten el colapso energético que se avecina.

Las energías renovables no convencionales (ERNC), la energía: solar, eólica, biomasa, geotérmica, mareomotriz, son las opciones mas ecologías y razonables con las que contamos.

Esta última nunca ha sido aprovechada de una manera importante, por su menor difusión entre los medios y su poco desarrollo.

El potencial del mar se manifiesta, fundamentalmente, de cuatro formas distintas: • • • •

La energía de las mareas La energía de las olas Gradiente térmico entre la superficie del mar y las distintas profundidades del mar.

La energía de los vientos marinos.

Actualmente se clasifican los siguientes tipos de energía basadas en el sistema marino: • • • •

Energía undimotriz (Wave Energy) Energía entregada por las olas.

Energía mareomotriz (Tidal Energy) Energía entregada por las mareas, gravedad.

Energía eólica marina (Wind Offshore energy) Energía entregada por los vientos marinos.

Maremotérmica (O.T.E.C o C.E.T.O) Energía entregada por el gradiente térmico entre la superficie y las del mar.

profundidades

La generación mareomotriz solo fue aprovechada comercialmente a partir del año 1968, en Francia, convirtiéndose en país pionero en la explotación de este recurso. La central citada mareomotriz esta ubicada en el río Rance, un estuario cercano al canal de la Mancha. Consiste en un dique que cierra un río, permitiendo almacenar el agua del mar en una represa cuando la marea sube, y luego liberarla cuando el nivel de agua del mar desciende, este movimiento de vaivén al llenar y vaciar el dique, genera energía eléctrica por medio de turbinas que funcionan en ambos sentidos. La central tiene una potencia de 240 MW.

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Este concepto ha permitido a muchos desarrolladores e investigadores elaborar variadas propuestas de generación de energía utilizando el mar, creando dispositivos que se clasifican por el lugar donde se instalan: • • •

Dispositivos instalados en la costa, a orillas del mar.

Dispositivos instalados en la costa, mas alejados de la orilla del mar.

Dispositivos flotadores alejados de la costa, o en altamar.

Para concluir existe otra clasificación para los dispositivos según el modelo o efecto utilizado para la transformación de la energía utilizando el mar: • • • • • • •

Variación del nivel del agua.

Oscilaciones longitudinales del oleaje.

Velocidad espacial del oleaje.

Variación de la inclinación de la superficie libre.

Flexión variable en pos de la superficie libre.

Presión hidrodinámica.

Presión hidrostática variable.

Cada uno de estos dispositivos se describe en este documento, para potenciar el uso de este tipo de energía y proporcionar al lector una visión global respecto a esta nueva fuente de energía.

Cada uno de estos dispositivos se describe en este documento, para potenciar el uso de este tipo de energía y proporcionar al lector una visión global respecto a esta nueva fuente de energía.

Fuente: Iberdrola Energías Renovables, Energía Marina, 2006 Fuente: Tecnologías Emergentes, Energía del Mar-Robotiker, Tecnalia 2005

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Motivación y visión general.

Nuestro enfoque es lograr disminuir la dependencia energética nacional, a través de la publicación de información respecto al tema “energía utilizando el mar”; resulta crucial para un país como Chile, diversificar su matriz energética, debido a que conlleva una mejor estabilidad económica, y una mayor producción nacional.

Es imperativo potenciar las inversiones económicas, subvenciones, financiamiento, incentivos por parte del estado, y conjuntamente establecer un marco legislativo que regule este mercado.

La tecnología mareomotriz y mareomotriz, estuvo estancada durante mucho tiempo; hoy la perspectiva respecto a esta energía libre y abundante comienza a cambiar, nosotros queremos dar un pequeño impulso en esta dirección. Las tecnologías existentes en el mercado mareomotriz han ido perfeccionándose, pero aun están en una fase de maduración, el salto tecnológico requerido se logra compartiendo información y experiencias obtenidas; de esta forma obtendremos los buenos resultados que esperamos en esta materia. Como un complemento, se puede decir que no existe una publicación que englobe todos estos ámbitos informativos, tampoco que reúna cada un de los dispositivos existentes en el mercado, debido a su reducida divulgación.

Sobre este tema actualmente existen, estudios en universidades, prototipos a escala creados por empresas, futuras centrales mareomotrices en construcción etc., permitiendo a países que adquieren tecnología, como Chile, explotar su abundante recurso energético marítimo debido a su geográfico y oceanográfico.

Los precios de estas tecnologías aún son altos, pero al transcurrir el tiempo se irán compensando con respecto al precio de otras energías convencionales y a la producción de energía ecológica.

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Objetivo General Diseñar un prototipo generador de energía mareomotriz, empleando modelos tipo boya.

Estructura La estructura básica será una boya, el cuerpo se dividirá en dos partes. Parte A y Parte B. Componentes electrónicos: Comprende el generador lineal, el sistema lumínico y el conexionado electrónico.

Componentes mecánicos: Comprende a la suportación boya, amarres, resortes y detalles de montaje.

Funciones Su principal función será iluminar un tramo del borde costero, paseos peatonales, muelles etc., como función secundaria puede utilizarse para indicar y señalizar una posición en el mar.

Características Posee dos características: 1. Es un dispositivo autónomo, modular de fácil mantención.

2. Esta diseñado para entregar un mayor control de los movimientos producidos para disminuir el desgaste de sus componentes.

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Objetivos Específicos A continuación se transmiten nuestros objetivos específicos •

Identificación de las tecnologías (Dispositivos, Modelos) existentes en los sectores de generación mareomotriz.

•

Investigación sobre la generación mareomotriz en el mundo.

•

Situación actual de Chile en generación mareomotriz.

• Diseño de un prototipo de generación mareomotriz.

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• Visiones del Proyecto.

Figura 1 Modelo de las 4P

Desarrollamos un modelo llamado “las cuatro P de la energía usando el mar” el cual es aplicado a nuestro proyecto sobre energía del mar, y crea un marco atractivo para el lector (ver figura 1).

Aspectos intrínsecos del objetivo a presentar •

Presentar una alternativa frente a la compleja realidad que posee Chile en materia energética, donde el escenario cada día se hace más difícil en Chile y en el mundo, para lograr así la independencia energética que Chile necesita.

•

Publicar la experiencia de los países más desarrollados en este sector energético renovable utilizando el mar (energía mareomotriz, energía mareomotriz).

•

Proporcionar una visión global respecto a tecnologías (dispositivos, modelos), existentes en el área de generación de energía mareomotriz.

•

Promover una cultura de energía renovable en nuestro país y el mundo, dando a conocer esta forma de generar de energía para ser una solución energética sustentable e innovadora, para terminar así con la dependencia energética nacional y acabar con la progresiva destrucción del medioambiente.

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Aplicaciones.

Es esencial demostrar con este trabajo, nuestro deseo de disminuir la contaminación ambiental.

Nuestros postulados visionarios respecto a esta energía son: A mediano plazo, proyectar esta energía a: • • • • • • • •

Plantas Salmoneras.

Faroles para iluminación en playas.

Iluminación en puentes.

Iluminación en muelles.

Boyas iluminadas para guiar trayectorias de navegación en el mar.

Boyas iluminadas cercanas a roqueríos, indicando el borde costero.

Boyas iluminadas que indiquen un lugar histórico, de interés nacional o turístico.

Boyas para suministrar energía a instrumentos de medición oceanográficos.

A largo plazo, posibles aplicaciones serian • • •

Asentamientos humanos en islas artificiales.

Asentamientos humanos en ciudades subacuáticas.

Portales para seguimientos de embarques en rutas marítimas, logística mercante, estableciendo rutas predefinidas para tener control y pronosticar tiempos de llegada con mayor precisión (Tracking prediction)

Todo esto es factible de implementar en todas las regiones del mundo que poseen litoral sustentable.

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Alcances y limitaciones Los alcances del proyecto son los siguientes.

Alcances En el diseño utilizaremos las diversas formas existentes para desarrollar energía, para conocer la forma de operar de cada uno, optando por la más beneficiosa en términos de control, simplicidad y constructibilidad. Es decir, emplearemos las mareas y olas, dando un énfasis a conseguir un prototipo que sea portable, construido con materiales abundantes y resistentes.

El prototipo será diseñado para ser implementado cercano a la orilla del mar, para disminuir costos de mantención e instalación, y para no provocar algún riesgo o accidente al personal de turno.

Nuestra investigación estará focalizada solamente a la energía mareomotriz, energía generada por las mareas y energía undimotriz, energía generada por las olas.

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Exclusiones No se ampliará información con respecto a métodos, artefactos, maquinas, modelos para almacenar la energía obtenida, ya que este no es el punto principal de este proyecto.

No se ampliará la información con respecto a líneas de transmisión a utilizar para conducir la corriente.

No se incluirá métodos, ni información sobre Energía maremotérmica, es decir conversión de la energía térmica del océano, es decir centrales C.E.T.O. también llamadas O.T.E.C. por las siguientes razones; para lograr un aprovechamiento sustentable es necesaria una diferencia (delta) de 20 o grados de temperatura, recoger agua a 1000m de profundidad, siendo una alternativa muy costosa, que solo es aplicable en zonas tropicales del orbe.

No se incluirá métodos, ni información sobre la energía eólica Offshore, es decir energía entregada por los vientos marinos, por las siguientes razones, es una forma cercana de generación de energía utilizando el mar, pero indirecta. Otra de las razones es el bajo poder energético que posee el flujo de aire, con respecto a la energía potencial de una ola, en la superficie, y bajo la superficie del mar las corrientes marinas poseen mayor poder energético cinético que el flujo de aire.

El prototipo no será implementado, corresponde únicamente a un prototipo, en fase de diseño, el cual puede alcanzar distintos niveles de desarrollo. Se diseñara para ser instalado en un área geográfica a determinar.

No se incorporaran variables ni aspectos de ingeniería oceanográfica en el diseño del modelo porque esta fuera de nuestra formación académica y provoca que el diseño sea muy complejo de simular al incluir distintas variables.

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Beneficios esperados.

Los beneficios esperados son los siguientes: Beneficios Económicos • •

Energía económica en el transcurso del tiempo.

Oportunidad de negocio a largo plazo.

Beneficios Ambientales • • • • •

Es una fuente renovable de energía.

Energía limpia y ecológica (no contamínate).

Uso de un movimiento perpetuo que posee el mar.

Disponible en cualquier época del año y en cualquier clima. (Disponibilidad 24x365).

En comparación a otras energías renovables el recurso se encuentra concentrado, es decir existe alta disponibilidad, en síntesis recurso gratis y abundante.

Beneficios Sociales • •

Idónea para lugares donde no llegan las redes de suministro convencionales.

Amplitud de perspectivas de crecimiento en relación a otras fuentes de energía no convencionales.

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Factores de riesgo A modo de introducción en este punto en Chile existió un proyecto para construir una central mareomotriz, la cual consistió en el diseño de un viaducto sobre el canal de Chacao (Canal de Chacao, ubicado en la X Región de Los Lagos, separa a Chile continental con la isla de Chiloé), con una central mareomotriz del tipo corrientes marinas. Algunos de los factores que no permitieron la construcción de dicha central son el impacto ambiental que provocaría el muro sobre el canal de Chacao, siendo una barrera para la biodiversidad marítima, produciendo un impacto socioeconómico negativo en la zona pesquera, la principal fuente de ingresos para los pobladores de la isla y sus alrededores.

Por esto existe gran relevancia de estos factores que se muestran a continuación: • • • • •

Conlleva un Impacto ambiental de tipo visual y estructural sobre el paisaje costero, en menor escala a otras fuentes de obtención energética.

Posee una alta inversión inicial.

Interviene de forma puntual el ecosistema creando la modificación de este.

Perturbación del libre transito de la fauna marina existente en el área donde se situara el generador mareomotriz o mareomotriz.

Potencia limitada, dependiendo del clima.

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CAPÍTULO 1 Diagnóstico Situación Actual ESTADO DE LA ENERGÍA EN EL MUNDO La necesidad de energía ha sido constatada desde el comienzo de la vida misma. Un organismo para crecer y reproducirse requiere energía, el movimiento de cualquier animal supone un gasto energético, e incluso el mismo hecho de la respiración de plantas y animales implica una acción energética. En todo lo relacionado con la vida individual o social está presente la energía. La energía es el elemento esencial para la vida; cuyo proceso de producción y consumo afecta el ambiente.

La obtención de luz y calor está vinculada a la producción y al consumo de energía. Ambos términos son imprescindibles para la supervivencia de la tierra y consecuentemente de la vida bacteriana, vegetal, animal y humana.

El ser humano desde sus primeros pasos en la tierra, y a lo largo de la historia, ha sido un buscador permanente de formas de generación de esa energía necesaria y facilitadora de una vida más agradable. Gracias al uso y conocimiento de las formas de energía ha sido capaz de cubrir necesidades básicas: luz, calor, movimiento, fuerza, y alcanzar mayores niveles de calidad de vida, esto conlleva una vida más cómoda y saludable.

El descubrimiento de que la energía se encuentra almacenada en diversas formas en la naturaleza ha supuesto a las diferentes sociedades a lo largo de los tiempos, el descubrimiento de la existencia de "energías naturales" que aparentemente eran de libre disposición. Unido a esto, el hombre ha descubierto que estas energías naturales disponibles en la naturaleza (masas de agua, direcciones de viento, bosques,) eran susceptibles de ser transformadas en la forma de energía precisa en cada momento (luz y calor inicialmente, fuerza y electricidad con posterioridad), e incluso adoptar nuevos sistemas de producción y almacenamiento de energía, más avanzados e integrando una mayor tecnología, para ser utilizada en el lugar y momento deseado: energía química, hidroeléctrica y nuclear.

Sin embargo, el descubrimiento de las energías naturales, ha producido una modificación del entorno y un agotamiento de los recursos del medio ambiente. Así el uso de la energía ha acarreado un efecto secundario de desertización, erosión y contaminación principalmente, que ha propiciado la actual problemática medioambiental y el riesgo potencial de acrecentar la misma con los desechos y residuos de algunas de las formas de obtención de energía.

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Hoy en día, la energía nuclear, la energía de procedencia de combustibles fósiles, la energía procedente de la biomasa (principalmente combustión directa de madera) y la energía hidroeléctrica, satisfacen la demanda energética mundial en un porcentaje superior al 98%, siendo el petróleo y el carbón las de mayor utilización.

Según el Departamento de Energía de Estados Unidos (2007), el consumo de energía mundial crecerá 71% entre 2005 y 2030. Cabe destacar que los combustibles fósiles continuarán suministrando la mayor parte de la energía y el petróleo permanecerá como la fuente dominante.

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Clasificación de Energías

Energías No Renovables.

ENR

Energías Renovables No Convencionales.

ERNC

Energías Renovables Convencionales

Petróleo

Eólica

Hidroeléctrica

Carbón

Hidroeléctrica de Pasada

Nuclear

Solar

Gas Natural

Geotérmica

Biomasa

Biocombustibles

Marina

Térmica (OTEC) (CETO)

Olas (Mareomotriz Undimotriz, Olamatriz)

Mareas (Mareomotriz)

Corrientes Marinas

Osmótica

Eólica Marina

Figura 2: Mapa conceptual de energías.

Fuente: Elaboración propia.

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La Tierra, como planeta en el espacio, está sometida a la fuerza gravitacional y a la inercia de la de rotación, pero además tiene dos propiedades térmicas internas. La de los ciclos geotectónicos que modifican la superficie, y la de su atmósfera, océanos y plantas que transforman la radiación solar que reciben. El flujo interno de calor producido por la desintegración de sustancias radiactivas, de las series del uranio y del torio, y del potasio 40, en el núcleo terrestre, tiene un efecto pequeño comparado con la reflexión, absorción y emisión de la radiación solar. Según el principio de la conservación de la energía, la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma. Por tanto, para obtener energía, se tiene que partir de algún cuerpo que la tenga almacenada y pueda experimentar una transformación. A estos cuerpos se les llama fuentes de energía. De forma más amplia llamaremos fuente de energía a todo sistema natural, artificial o yacimiento que puede suministrarnos energía. Las cantidades disponibles de energía de estas fuentes es lo que se llama recurso energético.

La Tierra posee enormes cantidades de estos recursos. Sin embargo, uno de los problemas que tiene planteada la humanidad es la obtención y transformación de los mismos.

Las fuentes energéticas más buscadas son aquellas en las que se dispone de energía concentrada, mucha energía por unidad de masa. Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, uranio, etc. Por el contrario, tenemos otro tipo de fuentes de energía llamada difusa, en la que existen dificultades para su captación y concentración. Es el caso de la energía solar, eólica, mareomotriz, etc.

Figura 3 Producción energética en el mundo.

Fuente: www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

En las primeras hay que tener en cuenta, además del contenido energético, las impurezas, localización del yacimiento, facilidad de explotación, tecnología requerida, razones todas ellas que inciden directamente en el coste de obtención de esa energía y por tanto en la rentabilidad de la explotación.

En el caso de las energías difusas, el problema no está en la extracción, sino en la concentración, almacenamiento y transformación. Estos datos son importantes para hacer el balance económico de cada fuente. Todas las fuentes de energía son importantes, pero desde el punto de vista de su utilización concreta, las distintas fuentes de energía pueden ser o no ser sustitutivas entre sí.

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Por ejemplo, para la producción de energía eléctrica en una central podemos utilizar carbón, petróleo, gas natural o uranio. Sin embargo, en un proceso siderúrgico el uranio nunca podría sustituir al carbón, y como carburantes los derivados del petróleo, gasolinas y querosenos, no pueden ser sustituidos por carbón, uranio o madera.

Para clasificar las distintas fuentes de energía se pueden utilizar varios criterios.

Llamaremos fuentes de energía renovables a aquellas cuyo potencial es inagotable por provenir de la energía que llega a nuestro planeta de forma continua como consecuencia de la radiación solar o de la atracción gravitatoria del Sol y de la Luna. Son la energía solar, eólica, hidroeléctrica, mareomotriz y la biomasa. Las fuentes de energía no renovables son aquellas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza. No se renuevan a corto plazo y por eso se agotan cuando se utilizan. La demanda mundial de energía en la actualidad se satisface fundamentalmente con este tipo de fuentes. Las más comunes son carbón, petróleo, gas natural y uranio.

Atendiendo a un segundo criterio de clasificación, llamaremos fuentes de energía convencionales a aquellas que tienen una participación importante en los balances energéticos de los países industrializados. Es el caso del carbón, petróleo, gas natural, hidroeléctrica, nuclear. Por el contrario, se llaman fuentes de energía no convencionales, o nuevas fuentes de energía, a las que por estar en una etapa de desarrollo tecnológico en cuanto a su utilización generalizada, no tienen una participación apreciable en la cobertura de la demanda energética de esos países. Es el caso de la energía solar, eólica, mareomotriz y biomasa.

Según sea su utilización, las fuentes de energía las podemos clasificar en primarias y secundarias. Las primarias son las que se obtienen directamente de la naturaleza, como ejemplo tenemos el carbón, petróleo, gas natural y uranio, son una energía acumulada. Las secundarias, llamadas también útiles o finales, se obtienen a partir de las primarias mediante un proceso de transformación por medios técnicos. Es el caso de la electricidad o de los combustibles para los diversos tipos de motores.

El consumo de energía en el mundo se incrementará en un 57% entre 2009 y 2030, a pesar de que se espera que el aumento de precios tanto del petróleo como del gas natural siga en aumento.

Gran parte de este incremento será producido por el experimentado en los países con economías emergentes. Se prevé que el consumo de energía en el mercado experimente un incremento medio de un 2,5% por año hasta 2030 en los países ajenos a la OCDE, mientras que en los países miembros será tan solo del 0,6%; así, durante este periodo, los países OCDE incrementarán su demanda energética en un 24%, mientras que el resto de países lo harán al 95%.

Las economías emergentes serán, con mucho, las responsables del crecimiento proyectado en el consumo de energía dentro del mercado en las dos próximas décadas. La actividad económica medida por el producto interior bruto como medida del poder adquisitivo, se espera que se incremente en un 5,3% por año en los mercados de los países fuera de la OCDE, frente al 2,5% de los países miembros.

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Figura 4 Mercado del Consumo de energ铆a por regi贸n. 1970-2025.

Fuentes: Report #:DOE/EIA-0554(2007) Release date: April 2007 Next release date: March 2008 Assumptions to the Annual Energy Outlook 2007 With Proyections to 2030, www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

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Consumo de energía por tipo de combustible De acuerdo con el caso de referencia de IEO2007, el uso de todas las fuentes de energía aumentará durante el periodo 2009-2030.

Figura 5 Consumo de energía por tipo de combustible. 1980-2030.

Fuente: Report #:DOE/EIA-0554(2007) Release date: April 2007 Next release date: March 2008 Assumptions to the Annual Energy Outlook 2007 With Proyections to 2030, www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

La figura indica que los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón), seguirán siendo los más utilizados en todo el mundo, básicamente por su importancia en el transporte y en el sector industrial. Para el resto, energía nuclear y energías renovables, también se espera que experimenten un aumento durante el mismo periodo, aunque mucho más suave. El empleo de estos dos recursos energéticos puede verse alterado por cambios en las políticas o leyes que limiten la producción de gases de combustión que, de acuerdo con los trabajos de muchos científicos, están siendo los responsables directos del cambio climático.

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Petróleo El consumo de petróleo en el mundo se espera que aumente de 83 millones de barriles día en 2009 a 97 millones de barriles día en 2015 y 118 millones en 2030. En el año 2006, por ejemplo, la demanda anual era de 84,45 millones de barriles. La subida de los precios del petróleo impide un pronóstico sobre el consumo en muchas partes del mundo, particularmente en mercados consolidados y economías de transición. La demanda de petróleo sería aun mayor si no se contara con las necesidades de los países emergentes como India y China. Así, para el caso de China, se prevé un crecimiento en el consumo de un 7,5% anual de 2002 a 2010, y a partir de esta fecha disminuir a un 2,9% hasta el año 2025. De acuerdo con el estudio, los miembros de la OPEC serán los más importantes suministradores de petróleo, representando un 60% del incremento previsto. Importantes incrementos de petróleo se esperan de suministradores de la zona del Caspio, Este de África y América central y del Sur

Reservas de petróleo En enero de 2007, las reservas de petróleo en el mundo ascendían a 1.317,6 billones de barriles.

Las mayores reservas se encuentran en Oriente Medio, América del Norte y en mucho menor porcentaje África. Las reservas de petróleo en Europa están principalmente representadas por los países del Este y sobre todo por los países que pertenecieron a la extinta URSS.

Figura 6 Reservas mundiales de petróleo 2007. Billones de barriles.

Fuente: www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

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Gas Natural Se perfila como el recurso energético favorito y será el que experimente mayor aumento en el consumo. Se prevé un incremento promedio de 2,3% por año de 2002 a 2025 (el previsto para el crudo era de 1,9% y 2% para el consumo de carbón). Durante el periodo 2004 a 2030 se proyecta un aumento en el consumo de gas del 63%, pasando de 100 trillones de pies cúbicos a 163 trillones de pies cúbicos, un aumento que solo puede ser comparable al que se prevé para el carbón En el año 2004, los países de la OCDE consumieron la mitad del gas usado en el mundo, mientras que los países fuera de la OCDE de Europa y Eurasia consumieron una cuarta parte; el resto fue utilizado por el resto de países de otras partes del mundo. Según el informe de 2007, los países fuera de la OCDE experimentarán un crecimiento en el consumo de gas mucho mayor que aquellos incluidos en la OCDE: 2,6% de tasa media de crecimiento anual frente a tan solo 1,2% de las economías más desarrolladas.

La previsión es que el gas natural continúe como una importante fuente de suministro para la generación de energía eléctrica, debido especialmente a su uso en la industria, que asume casi la mitad del gasto de gas (44%) en el mundo. Esta elección se debe a que presenta una reducción en emisiones gaseosas (en comparación con el fuel). Casi el 50% del incremento de gas natural demandado entre el 2002 y 2025 irá a parar a la producción de electricidad.

Figura 7 Consumo de gas natural por consumidor final. 2002-2025.

Fuente: www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

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Fuente: Report #:DOE/EIA-0554(2007) Release date: April 2007 Next release date: March 2008 Assumptions to the Annual Energy Outlook 2007 With Proyections to 2030, www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

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Reservas de Gas Natural En Enero de 2007, las reservas de gas natural ascendían a 6183 trillones de pies cúbicos distribuidos tal y como se indica en la figura siguiente:

Figura 8 Reservas mundiales de gas natural. Trillones de ft^3 año 2007.

Fuente: www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

La principal reserva se encuentra de nuevo en los países de Oriente Medio, seguido por Eurasia (especialmente Europa del Este y los antiguos países de la Unión Soviética.

Carbón De acuerdo con IEO 2007, el consumo de carbón experimentará un crecimiento del 74% para el periodo tomado como referencia en el informe (es decir, entre 2004 y 2030), pasando de 114.4 cuatrillones de Btu (2004) a 199,0 cuatrillones. Hasta el año 2015 el incremento medio del consumo será del 2,6%, crecimiento que se ralentizará hasta el 1,8% en el periodo 2015-2030.

Aunque el incremento en el uso de este combustible es general para todas las zonas geográficas, son los países ajenos a la OCDE los responsables del 85% del incremento, ya que en las economías avanzadas el carbón continúa siendo sustituido por el gas natural y las energías renovables.

En el año 2004, el carbón supuso el 26% del consumo energético mundial. De esa cantidad, dos tercios fueron destinados a la producción de electricidad, un 31% al uso industrial y tan solo un 4% para usos residenciales y comerciales. Las previsiones del informe de 2007 indican que para

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el año 2030 la importancia relativa del carbón crecerá 2 puntos (hasta el 28%), y su participación en la producción de energía eléctrica a escala mundial crecerá del 43 al 45%.

Aunque en la actualidad el carbón es la segunda fuente emisora de dióxido de carbono por detrás del petróleo, se espera que para 2010 ya sea la primera. La responsabilidad del carbón sobre las emisiones de gases de efecto invernadero crecerá hasta el final del periodo de referencia, cuando alcance el 43% de las emisiones, frente al 36% del petróleo o el 21% del gas natural.

El comercio relacionado con la industria del carbón también experimentará un gran crecimiento en el mismo periodo, que está previsto en un 44% (de 18.4 cuatrillones de Btu en 2005 a 26.5 en 2030). No obstante, la mayor parte tanto del consumo como de la producción estará localizado en China, por lo que el comercio internacional descenderá, si no se tiene en cuenta el caso chino, en un 15%

Reservas de carbón en el mundo En enero de 2005, las reservas de carbón en el mundo se reparten tal y como se muestra en la figura:

Figura 9 Reservas de carbón el mundo 2005.

Fuente: www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

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Energía Nuclear Las perspectivas del futuro de la energía nuclear han mejorado recientemente debido básicamente a dos hechos: 1) la fuerte subida en los precios de los combustibles fósiles y 2) la entrada en vigor del Protocolo de Kyoto. Además, las instalaciones nucleares existentes han visto mejoradas sus capacidades, a lo que hay que sumar la extensión de la vida útil de muchas de ellas, especialmente en los países pertenecientes a la OCDE y a otros países en Europa y Eurasia.

Se prevé que la generación eléctrica a partir de energía nuclear se incremente a una tasa media del 1,3% anual desde 2004 a 2030. Se pasará, por tanto, de 2.619 billones de Kwh a 3.619 billones.

Esto contrasta con algunas previsiones anteriores que vaticinaban un descenso de la importancia de la nuclear, ya que se tenía en cuenta el desmantelamiento de muchas de las actuales instalaciones pero no el incremento de los combustibles fósiles o la preocupación por las emisiones de gases de efecto invernadero.

En los mercados emergentes, el consumo de electricidad a partir de la energía nuclear aumentará en un 4,9% al año, ente 2002 y 2025. Concretamente en Asia, se espera el mayor incremento en instalaciones nucleares, por encima de las previsiones, representando el 96% del total del incremento de energía nuclear para este tipo de países (China, India y Corea del Sur).

Fuente: LA ENERGÍA NUCLEAR, SEGURA, LIMPIA Y BARATAPARA CUMPLIR CON KYOTO Guillermo Velarde, catedrático de Física Nuclear y presidente del Instituto de Fusión Nuclear de la Universidad Politécnica de Madrid-2007

Generación Eléctrica La demanda de electricidad, crecerá fuertemente entre 2009 y 2030. La producción a escala mundial crecerá un 2,4% anual en este periodo, de los 16.424 billones de Kwh a los 30.364 billones. La mayor parte de este crecimiento, como en el caso del carbón, se debe a las necesidades de las economías emergentes fuera de la OCDE. De hecho, para el año 2030 se prevé que las economías en desarrollo ya generen más electricidad que los países OCDE, mientras que la demanda crecerá a una tasa tres veces mayor en las primeras que en los segundos.

Estas diferencias se establecen teniendo en cuenta la mayor madurez de las infraestructuras eléctricas en los países OCDE, así como las previsiones de un nulo -o incluso negativocrecimiento demográfico en los mismos durante los próximos 25 años. Por otro lado, las progresivas mejoras en la condiciones de vida en muchos países en desarrollo conllevarán mayores demandas de electricidad.

En cuanto a las fuentes de producción de electricidad, se espera que el carbón siga siendo la principal materia prima utilizada, incluso en 2030, a pesar del crecimiento del gas natural. La generación de electricidad a partir del petróleo crecerá a un ritmo menor en los países de la OCDE debido al incremento de precios del crudo, mientras que en las economías menos desarrolladas llegará incluso a descender a un ritmo del 0,3% anual. Tan solo en Oriente Medio,

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donde las reservas son muy abundantes, se continuará usando el petróleo como fuente fundamental de provisión de electricidad.

Figura 10 Generación de electricidad por tipo de combustible o energía. Billones kW/h 2004-2030.

Fuente: Report #:DOE/EIA-0554(2007) Release date: April 2007 Next release date: March 2008 Assumptions to the Annual Energy Outlook 2007 With Proyections to 2030, www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

Hidroelectricidad y Energías Renovables La previsión para el periodo 2009-2030 es que continúen creciendo a razón de 1,7% anual. Las renovables se beneficiarán, en principio, del mantenimiento de los altos precios de los combustibles fósiles, y de su atractivo como fuentes de energías poco contaminantes. De hecho, son muchos los gobiernos que están llevando a cabo políticas de fomento de las energías renovables, incluso en situaciones en las que no podrían competir con los combustibles fósiles debido a su rentabilidad.

No obstante, y a pesar de este crecimiento, las energías renovables perderán importancia relativa en la generación de electricidad a escala mundial: del 19% de 2004 al 16% de 2030, debido al mayor aumento en el uso del carbón y del gas natural.

Emisiones gaseosas El dióxido de carbono (CO2) es uno de los gases invernadero que permanecen durante más tiempo en la atmósfera. Las emisiones de CO2 causadas por el hombre provienen principalmente de la combustión de combustibles fósiles para la producción de energía, siendo el centro del

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debate del cambio climático. Las emisiones de CO2 que están previstas para el periodo estudiado es que aumenten de 26,9 billones de toneladas en 2004 a 33,9 en 2015 y 42,9 en 2030.

Figura 11 Energía mundial relacionada con las emisiones de dióxido de carbono por tipo de combustible. 1990-2030.

Fuente: Report #:DOE/EIA-0554(2007) Release date: April 2007 Next release date: March 2008 Assumptions to the Annual Energy Outlook 2007 With Proyections to 2030, www.eia.doe.gov, Energy Information Administration.

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Las previsiones del informe IEO 2007 marcan un promedio de crecimiento del 1,8% entre 2004 y 2030. El incremento será menor en los países de la OCDE (0,8%) que en los no pertenecientes (2,6%). Entre los primeros, será México el que experimente un crecimiento mayor (2,3%), mientras que el mayor crecimiento a escala mundial lo ostentará China, cuyas emisiones crecerán un 3,4% debido a su fuerte dependencia de los combustibles fósiles, especialmente el carbón. De hecho, en 2010 ya superará a Estados Unidos como principal emisor, y para el año 2030 ya superará el volumen emitido por los norteamericanos en un 41%.

En el estudio del año 2005 también se analizó un estudio de caso teniendo en cuenta el Protocolo de Kyoto. En este caso, el pronóstico indicó que en los países que lo han ratificado, se reduciría un total de 593 millones de toneladas respecto a no considerar los acuerdos de Kyoto.

Una vez alcanzados los compromisos, se piden costes marginales para la reducción de emisiones procedentes de fuentes domésticas, en el rango de 36 dólares por tonelada de dióxido de carbón a 64 para el caso de Europa occidental. Debido a la dependencia de los mercados emergentes con el carbón y el petróleo, incluso si estos países estuviesen comprometidos con el tratado y por tanto redujeran sus emisiones de CO2, el incremento de los gases procedentes de la producción de energía sería importante. De acuerdo con el estudio y asumiendo que los objetivos del tratado permaneciesen constantes durante el periodo pronosticado, las emisiones de dióxido de carbono en el mundo aumentarían de 29,8 millones de toneladas en 2010 a 38,2 millones de toneladas en 2050.

Fuente: El sector energético: presente y futuros desafíos Alejandro Jadresic Decano Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Adolfo Ibáñez

Geotérmica El gradiente térmico resultante de las altas temperaturas del centro de la Tierra (superiores a los mil grados centígrados), genera una corriente de calor hacia la superficie, corriente que es la fuente de la energía geotérmica. El valor promedio del gradiente térmico es de 25 grados centígrados por cada kilómetro, siendo superior en algunas zonas sísmicas o volcánicas. Los flujos y gradientes térmicos anómalos alcanzan valores máximos en zonas que representan en torno a la décima parte de las tierras emergidas: costa del Pacífico en América, desde Alaska hasta Chile, occidente del Pacífico, desde Nueva Zelanda a Japón, el este de África y alrededor del Mediterráneo. El potencial geotérmico almacenado en los diez kilómetros exteriores de la corteza terrestre supera en 2.000 veces a las reservas mundiales de carbón.

La explotación comercial de la geotermia, al margen de los tradicionales usos termales, comenzó a finales del siglo XIX en Lardarello (Italia), con la producción de electricidad.

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Hoy son ya 22 los países que generan electricidad a partir de la geotermia, con una capacidad instalada de unos 8.000 MW, equivalente a ocho centrales nucleares de tamaño grande. Estados Unidos, Filipinas, México, Italia y Japón, en este orden, son los países con mayor producción geotérmica. Actualmente, una profundidad de perforación de 3.000 metros constituye el máximo económicamente viable; otra de las limitaciones e la geotermia es que las aplicaciones de ésta, electricidad o calor para calefacciones e invernaderos, deben encontrarse en las proximidades del yacimiento en explotación. La geotermia puede llegar a causar algún deterioro al ambiente, aunque la reinyección del agua empleada en la generación de electricidad minimiza los posibles riesgos.

Los países con mayores recursos, en orden de importancia, son China, Estados Unidos, Canadá, Indonesia, Perú y México. Los usos serían calefacción, agua caliente sanitaria e invernaderos, no contemplándose la producción de electricidad.

Fuente: La Energía Geotérmica: Posibilidades de Desarrollo en Chile, Alfredo Lahsen Azar Departamento de Geología Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Universidad de Chile. 2001.

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Hidrógeno La producción de hidrógeno es un proceso aún inmaduro tecnológicamente y costoso, por lo que se requerirán enormes inversiones en investigación. Cuando se llegue a producir hidrógeno comercialmente, dentro de 10 o 20 años, y a partir de factores tan abundantes como son el agua y la energía solar y eólica, los problemas energéticos y ambientales quedarán resueltos, pues el hidrógeno, a diferencia de otros combustibles, no es contaminante. El hidrógeno se produce por electrólisis, proceso que requiere grandes cantidades de electricidad, la cual puede obtenerse merced a las células fotovoltaicas y a los aerogeneradores, almacenando de esta forma la energía solar y eólica. En cualquier caso en las próximas décadas entraremos en una economía basada en el hidrógeno como combustible secundario o vector energético; su combustión apenas contamina.

La energía primaria para su obtención será la solar y la eólica, y la conversión se hará en pilas de combustible, lo que supondrá una gran revolución. Hacia el año 2020 se espera que la mayor parte de los vehículos funcionen con pilas de este combustible.

Los vectores energéticos dominantes en la segunda mitad del siglo XXI serán el hidrógeno y la electricidad, mutuamente complementarios. A partir del primero se puede obtener la segunda y viceversa. La electricidad se puede conseguir a partir del hidrógeno en celdas de combustible, y, de la misma forma, el hidrógeno se puede obtener a partir de la electricidad mediante la electrólisis del agua. Este conjunto cumple las dos condiciones necesarias de un sistema energético sostenible, un esquema de almacenamiento de energía y un producto energético que puede transportarse a largas distancias. Otra utilización ventajosa es la producción de hidrógeno como sistema de gestión de la demanda eléctrica, de manera que en los períodos en que ésta es inferior a la producción, los excedentes se utilicen para producir hidrógeno que pueda ser utilizado como combustible en períodos de demanda alta.

Desde el punto de vista ambiental, la ventaja de la electricidad y del hidrógeno frente al uso de los hidrocarburos es la limpieza de su empleo en los puntos de consumo. La electricidad no produce emisiones peligrosas y el hidrógeno sólo produce agua como subproducto.

Adicionalmente, ambos productos son totalmente renovables. La electricidad vista como una separación de cargas eléctricas, regresa a un estado eléctricamente neutro después de ser usada.

El hidrógeno se convierte en agua.

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Desde un punto de vista estratégico, lo que hace más interesante a esta combinación es la diversidad de fuentes a partir de las cuales puede producirse. En el caso de la electricidad, aparte de las cinco fuentes tradicionales: carbón, nuclear, petróleo, gas y energía hidráulica es razonable que en el futuro se pueda obtener económicamente con las nuevas fuentes de energía: solar, biomasa, eólica, hidrógeno, etc. En el caso del hidrógeno, su producción actual se basa, principalmente, en el reformado de gas natural o de otros hidrocarburos. Sin embargo, el hidrógeno puede obtenerse de una gran variedad de fuentes. Algunas de ellas son las siguientes:

• Procesos electrolíticos de separación del agua. La ineficiencia de la conversión de calor a electricidad limita el rendimiento global de la producción electrolítica de hidrógeno, si se utilizan combustibles fósiles en la producción eléctrica. Sin embargo, el sistema resulta atractivo en el caso de generación de electricidad mediante energías renovables de regulación difícil, como es el caso de la energía solar o de la energía eólica.

• Termólisis o separación directa del agua a elevadas temperaturas, entre 700 y 800 ºC. El proceso tiene el inconveniente de que para evitar la recombinación rápida del oxígeno y el hidrógeno es necesario añadir grandes cantidades de otros compuestos.

• Procesos de fotólisis en los que se utiliza la energía de la luz para descomponer el agua en presencia de un fotocatalizador reciclable. Aunque teóricamente atractivo, se necesita aún demostrar la viabilidad económica del proceso.

• La fotosíntesis en una celda de combustible, simulando parcialmente la forma en que funcionan los organismos vegetales. Proceso que, obviamente, necesita aún mucha investigación de todo tipo. En este sentido, se ha estudiado recientemente la producción fotobiológica de hidrógeno molecular (H2) por algas verdes mediante la acción enzimática de hidrogenasas de hierro y la inserción de genes codificantes.

Fuente: real academia de ingeniería, Historia Energía Hidrógeno, Antonio Colino Martínez, José Ignacio Pérez Arriaga, 2004

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Biomasa y Biogás Una tecnología es apropiada cuando logra imponerse. Las plantas de biogás no cuentan aún gran aceptación. Estas con plantas sencillas no han sido, probablemente, bien adaptadas.

La planta de biogás es apropiada para las condiciones técnicas y posibilidades económicas de los campesinos del Tercer Mundo. La tecnología del biogás está bien adaptada a las exigencias ecológicas y económicas del futuro, es una tecnología de avanzada. Pero existe un problema de imagen, la planta de biogás está vista como para “gente pobre”, quien no quiere ser visto de esta forma no se compra una planta de biogás. El constructor deberá contribuir con una buena construcción, garantizando su buen funcionamiento, debe ser un símbolo de desarrollo social, no de precariedad. Tal ves la simplicidad de su concepto y construcción juega en contra, pero aún estamos lejos de alcanzar el tope del desarrollo de las plantas de biogás, y aún queda mucho por investigar acerca de lo que pasa dentro del digestor.

Una planta de biogás suministra energía y abono, mejora las condiciones higiénicas y no daña el medio ambiente, es una fuente de energía moderna que en el caso de las viviendas rurales, puede ser montada en el lugar donde se consumirá la energía, evitando los extensos y caros tendidos eléctricos rurales, es renovable y con un mínimo mantenimiento. No se necesita un alto grado de capacitación para operarla.

La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a una mezcla de gases (principalmente metano y dióxido de carbono), conocida como "biogás" y a una suspensión acuosa o "lodo" que contiene los componentes difíciles de degradar y los minerales inicialmente presentes en la biomasa.

La materia prima preferentemente utilizada para someterla a este tratamiento es la biomasa residual con alto contenido en humedad, especialmente los residuos ganaderos y los lodos de depuradora de aguas residuales urbanas. Aunque la digestión anaerobia es un proceso ampliamente conocido en la práctica, se posee en la actualidad una información muy limitada sobre su química y su microbiología. Sin embargo, se puede afirmar en líneas generales que la digestión anaerobia se desarrolla en tres etapas durante las cuáles la biomasa se descompone en moléculas más pequeñas para dar biogás como producto final, por la acción de diferentes tipos de bacterias.

El producto principal de la digestión anaerobia es el biogás, mezcla gaseosa de metano (50 a 70%) y dióxido de carbono (30 a 50%), con pequeñas proporciones de otros componentes (nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, sulfuro de hidrógeno), cuya composición depende tanto de la materia prima como del proceso en sí.

Fuente: Universidad Nacional del Nordeste, Facultad de Ingeniería, Cátedra: Máquinas Térmicas II, Biomasa y Biogás, Álvarez, José M. Caneta, Luciano Moyano, Carlos

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Eólica La energía eólica se origina del movimiento de las masas de aire, que se obtiene por medio del viento, transformándola en energía cinética, con la cual se produce energía eléctrica. Esta corresponde a una fuente energía renovable que se encuentra con un potencial significativo a nivel mundial. Que al igual que la mayoría de las fuentes de energías renovables, proviene del sol, ya que son las diferencias de temperatura entre las distintas zonas geográficas de la tierra, las que por diferencia de presión en la atmósfera, producen la circulación de aire.

En la actualidad para el uso de energía eólica, se utilizan los aerogeneradores. Los cuales son equipos que transforman la energía cinética del flujo de viento en energía eléctrica. El viento pasa sobre la superficie de las aspas ejerciendo una fuerza de sustentación sobre ellas que hace girar el rotor. Este movimiento de rotación es transferido al eje principal y en la mayoría de los aerogeneradores es ampliado mediante una caja multiplicadora que aumenta la velocidad de rotación del rotor hasta la velocidad de rotación de un generador o alternador, que produce energía eléctrica. Ellos están compuestos esencialmente por: el rotor con aspas y buje situado en la copa de una torre, la góndola con caja multiplicadora, generado eléctrico y freno mecánico, controlador electrónico y mecanismo de orientación.

Fuente: Universidad Técnica Federico Santa María, Departamento de Electrónica, Energía Eólica, 2007

Solar Termoeléctrica Las Centrales Solares Termoeléctricas (CET) son sin duda una de las tecnologías energéticas renovables que pueden hacer un aporte considerable de electricidad no contaminante en el medio plazo. La tecnología solar termoeléctrica consiste en el empleo de la radiación solar incidente sobre la superficie terrestre para el calentamiento de un fluido que se hace pasar posteriormente por una etapa de turbina, bien directamente, en las configuraciones sólo-primario, o a través de un sistema de intercambio térmico con otro fluido que circula por la turbina en la configuración conocida como primario-secundario. Tras la etapa compuesta por los equipos propiamente solares, concentrador óptico y receptor solar, este esquema tiene muchas similitudes con las tecnologías termoeléctricas convencionales basadas en la conversión mecánica del calor, y ulteriormente la generación eléctrica, en un alternador a partir de un movimiento mecánico rotativo.

Fuente: Energía Solar Termoeléctrica, Dr. Manuel Romero Álvarez, Director Plataforma Solar de Almería-CIEMAT, apartado 22; 04200 tabernas (Almería)

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Hidráulica La energía hidráulica es la energía que se obtiene de la caída del agua desde cierta altura hasta un nivel inferior, lo que provoca el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación, y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos, aunque el coste de mantenimiento de una central térmica, debido al combustible, sea más caro que el de una central hidroeléctrica. Además, el peso de las consideraciones medioambientales, por los graves daños que ocasiona a los ríos y a los pueblos ribereños, centra la atención en esta fuente de energía renovable.

La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX . En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.

La tecnología de las principales instalaciones se mantuvo igual durante el siglo XX. Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas y conectados con árboles verticales.

El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales. Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman de caudal fluyente. Una de ellas es la de las cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá.

A principios de la década de 1990, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas.

En todo el mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), República Democrática del Congo (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 MW y es una de las más grandes.

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La energía hidráulica tiene la cualidad de ser renovable, pues no agota la fuente primaria al explotarla, y es limpia, ya que no produce en su explotación sustancias contaminantes de ningún tipo. Sin embargo, el impacto medioambiental de las grandes presas, por la severa alteración del paisaje e, incluso, la inducción de un microclima diferenciado en su emplazamiento, ha desmerecido la bondad ecológica de este concepto en los últimos años. Al mismo tiempo, la madurez de la explotación hace que en los países desarrollados no queden apenas ubicaciones atractivas por desarrollar nuevas centrales hidroeléctricas, por lo que esta fuente de energía, que aporta una cantidad significativa de la energía eléctrica en muchos países (en España, según los años, puede alcanzar el 30%) no permite un desarrollo adicional excesivo. Recientemente se están realizando centrales minihidroeléctricas, mucho más respetuosas con el ambiente y que se benefician de los progresos tecnológicos, logrando un rendimiento y una viabilidad económica razonables.

Fuente:, Energía Hidroeléctrica, Mirta Torres, 2006

Fuente: La Energía Hidráulica, GEA, Generación de Energías Alternativas, UTFSM -2006

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Otras variables sobre la Energía.

A continuación analizaremos todas las variables que influyen en nuestro mercado objetivo, tanto a corto como a largo plazo, ya que nuestro producto esta orientado a iluminación nocturna para indicación en altamar o borde costero.

Nuestro producto es una boya de iluminación nocturna para indicación en altamar, esta puede ser utilizada para indicar hitos históricos, rutas de navegación, trayectorias, zonas de peligrosa navegación en el mar, etc.

Nuestra demanda esta representada por todos estos posibles usos, esta demanda es estática, al no poseer una demanda dinámica, variable o historial de consumo de nuestro producto, decidimos guiarnos por la demanda del consumo de energía eléctrica a nivel nacional.

En compendio nuestro estudio comprenderá lo referente al sector de energías convencionales.

1) Matriz energética mundial Matriz Energética Mundial

35% 30% 25% Porcentaje 20% 15% 10% 5% 0%

Petróleo Carbón Gas Natural 1 Energias

Hidro y Otras Renovables

Matriz Energética Mundial Petróleo 35% Carbón 25% Gas Natural 21% Hidro y Otras Renovables 12% Figura 12 Matriz energética mundial 2004.

Fuente: Agencia Internacional de Energía año 2004 www.eia.doe.gov

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Al observar este grafico podemos decir que el 81 % de la matriz energĂŠtica mundial comprende energĂ­as no renovables, lo que conlleva que los precios por estas energĂ­as se incrementen en un futuro.

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Estado de la energía en CHILE Energía en Chile.

La crisis de suministros de gas natural argentino a Chile y el elevado precio internacional del petróleo vuelven imperiosa la búsqueda de fuentes de energía renovables y menos dañinas para el ambiente, coinciden ecologistas, parlamentarios y ministros.

Desde la invasión de Estados Unidos y Gran Bretaña a Iraq, en marzo de 2003, el precio del crudo se tornó muy inestable. Por eso, la dependencia de las importaciones que cubren 95 por ciento de la demanda de combustible de Chile, sumada a la voluble situación del gas argentino, hacen necesario buscar otras fuentes energéticas.

El proyecto de Chile Sustentable plantea la promoción de nuevas fuentes de energías renovables no convencionales, como la eólica, la geotérmica, la solar, la mareomotriz, la biomasa y las pequeñas centrales hidroeléctricas.

La idea es habilitar incentivos tributarios y crear un fondo de promoción para la generación y uso de algunas de esas fuentes.

A juicio de Manuel Baquedano, director del Instituto de Ecología Política (IEP), las pequeñas centrales hidroeléctricas son las más factibles de implementar a corto o mediano plazo.

Para largo plazo se tratara de obtener pequeñas cantidades de energía, pero de varios lugares. Para así no afectar el entorno.

La geografía chilena ofrece lugares potenciales para las energías alternativas. Por ejemplo, en el norte hay abundantes horas de sol y potencial geotérmico.

La energía solar es una de las más limpias que existen, y en el norte de Chile el potencial es alto.

Pero su desventaja es el costo relativamente alto. En cambio, la energía geotérmica, que aprovecha la actividad incesante del fuego en el subsuelo, es menos costosa. (Fuente: IEP) Chile posee un extenso litoral de 5.000 kilómetros sobre el océano Pacífico, por lo que una alternativa poco conocida puede ser la energía mareomotriz, que aprovecha la fuerza del oleaje para poner a funcionar turbinas y otros tipos de dispositivos.

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Los fiordos y canales en el sur, que en Puerto Montt se generan olas con variaciones de ocho metros, poseen un potencial enorme el cual en la actualidad no es aprovechado (Fuente Antonio Horvath, senador y presidente de la Comisión de Recursos Naturales y Medioambiente del Senado.)

En Chile igualmente se destaca la energía de la biomasa, la extracción de gas de material orgánico en descomposición, útil para el consumo domiciliario, aunque más difícil de aplicar masivamente, por su volumen escaso.

La cuestión de los costos sigue siendo el principal obstáculo para innovar en la matriz energética chilena, que depende en alto grado del gas natural y de las grandes centrales hidroeléctricas, dos fuentes criticadas por sus efectos ambientales.

Energías Primarias en Chile.

Se denomina energía primaria a los recursos naturales disponibles en forma directa (como la energía hidráulica, eólica y solar) o indirecta (después de atravesar por un proceso minero, como por ejemplo el petróleo el gas natural, el carbón mineral, etc.) para su uso energético sin necesidad de someterlos a un proceso de transformación.

Se refiere al proceso de extracción, captación o producción (siempre que no conlleve transformaciones energéticas) de portadores energéticos naturales, independientemente de sus características.

Clasificación de energías primarias en Chile.

• • • • • • • • • • •

Petróleo Crudo Gas natural (en condiciones de consumo residencial pasa a ser considerado energía secundaria) Biomasa Carbón Hídrico Leña Energía Nuclear Biogás Eólica Solar Geotermia

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Consumo de energías primarias en Chile año 2004 Estimaciones de demanda de Energías Primarias/ teracalorías/2004

Figura 13 Balance de energía 2004.

Fuente: Balance de Energía 2004

Considera la Hidroelectricidad con equivalente calórico de 2.750 Kcal/KWh desde 1978 hasta 1998.

Desde 1999 se considera un equivalente de 2.504 KCal/KWh

Variación Consumo Bruto Energía Primaria, año 2007

Figura 14 Variación de consumo de energía primaria.

Fuente: Balance nacional de energía BNE 2007, Gobierno de Chile, Comisión Nacional de Energía.

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Fuente: Balance nacional de energía BNE 2007, Gobierno de Chile, Comisión Nacional de Energía.

Figura 14b balance de energía primaria.

Evolución del consumo NETO de energías primarias en Chile. 1978-2007

Figura 15 balance de consumo NETO energías primarias.

Fuente: Balance nacional de energía BNE 2007, Gobierno de Chile, Comisión Nacional de Energía.

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Localización geográfica de las energías primarias en chile.

Petróleo crudo.

El total del abastecimiento nacional proviene de los pozos en tierra firme y costa afuera en la XII Región. La información sobre reservas indica aproximadamente 30 millones de Barriles.

Gas natural.

El total de producción nacional proviene de la XII Región de Magallanes. Las reservas se estiman en 45 .000 Millones de metros cúbicos.

Carbón.

Las principales Minas de Carbón se encuentran en la VIII, IX y XII Región. Las reservas se estiman en 155 Millones de Toneladas.

Hídricos.

Las centrales hidroeléctricas, ya sean de pasada o embalse se encuentran a lo largo de todo el país excepto en la II y XII Región.

El total de recursos hídricos del país es de aproximadamente 24.000 MW, de los cuales se encuentran instalados alrededor de 4.130 MW. Leña.

Este recurso se encuentra disponible desde la IV a la XII Región. Dado su carácter de energético renovable se espera se mantengan los niveles de consumo al menos en el mediano plazo.

Biogás.

En estos momentos solo se extrae biogás de los vertederos de la Región Metropolitana, explotando volúmenes pequeños.

Energía solar.

Existe en abundancia en la zona norte del país (I y II Región) Energía eólica.

Este potencial está disponible básicamente a lo largo de todo el territorio nacional, específicamente en las zonas costeras.

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Energías Renovables en Chile.

Las energías renovables se caracterizan porque en sus procesos de transformación y aprovechamiento en energía útil no se consumen ni se agotan en una escala humana. Entre estas fuentes de energías están: la hidráulica, la solar, la eólica y la de los océanos. Además, dependiendo de su forma de explotación, también pueden ser catalogadas como renovables la energía proveniente de la biomasa y la energía geotérmica.

Las energías renovables suelen clasificarse en convencionales y no convencionales, según sea el grado de desarrollo de las tecnologías para su aprovechamiento y la penetración en los mercados energéticos que presenten. Dentro de las convencionales, la más difundida es la hidráulica a gran escala.

Como energías renovables no convencionales (ERNC) se consideran la eólica, la solar, la geotérmica y la de los océanos. Además, existe una amplia gama de procesos de aprovechamiento de la energía de la biomasa que pueden ser catalogados como ERNC. De igual manera, el aprovechamiento de la energía hidráulica en pequeñas escalas se suele clasificar en esta categoría.

Al ser autóctonas y, dependiendo de su forma de aprovechamiento, generar impactos ambientales significativamente inferiores que las fuentes convencionales de energía, las ERNC pueden contribuir a los objetivos de seguridad de suministro y sustentabilidad ambiental de las políticas energéticas. La magnitud de dicha contribución y la viabilidad económica de su implantación, depende de las particularidades en cada país de elementos tales como el potencial explotable de los recursos renovables, su localización geográfica y las características de los mercados energéticos en los cuales competirían.

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Históricamente la matriz energética de Chile ha contado con una participación importante de energías renovables, en particular de la energía hidráulica convencional utilizada para generación eléctrica. Esta participación ha disminuido en los últimos años producto del crecimiento de sectores que tienen un consumo intensivo de derivados del petróleo, como el transporte, y del aumento de la capacidad de generación eléctrica térmica a partir de gas natural. Sin perjuicio de ello, la participación de las energías renovables sigue siendo significativa en el abastecimiento energético nacional, tal como se desprende del balance de consumo bruto de energía primaria del año 2001.

Energías renovables (Visión general) Consumo bruto de Energía Primaria (2001)

Figura 16 consumo bruto de energía primaria.

Fuente: CNE, Fuente: Comisión Nacional de Energía.

Por su parte, si bien las ERNC presentan una participación marginal en el consumo bruto de energía en Chile, han tenido un espacio de desarrollo en el abastecimiento energético de zonas rurales, situación que se verá reforzada por las políticas gubernamentales de apoyo a la electrificación rural.

Las energías renovables no convencionales, que poseen un potencial de desarrollo en nuestro País, son las siguientes: • • • • •

Eólica Biomasa Solar Hidráulica Geotérmica

Marco de desarrollo de las energías renovables en chile En Chile, el marco en el cual se desenvuelve el desarrollo de las energías renovables se encuentra diferenciado según el tipo de aplicación.

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Para este tipo de aplicaciones, como por ejemplo proyectos de generación eléctrica con renovables conectados a los sistemas eléctricos nacionales, se considera un marco reglamentario y económico neutral con respecto a las energías tradicionales, y por tanto, supone que su utilización depende de la competitividad, en términos de precio y de calidad, que ellas tengan respecto a las energías tradicionales. Luego, no existe limitación alguna para utilizar las energías renovables, como tampoco su incorporación es objeto de un tratamiento especial.

En el sector de generación eléctrica, este marco de acción ha permitido un amplio desarrollo de la energía hidráulica y una participación mucho más limitada de la biomasa, ambas en su forma convencional de aprovechamiento. En cuanto a las energías renovables no convencionales, existe un parque eólico de 2MW en la XI Región del país.

Potencia instalada en los principales sistemas eléctricos de Chile a diciembre de 2001

Figura 17 Potencia instalada según tipo de energía.

Fuente: Comisión Nacional de Energía.

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Descontado biomasa.

Si bien las razones para la baja introducción de las ERNC en este tipo de aplicaciones son la suma de un conjunto de factores tecnológicos y/o económicos, la principal causa radica en la baja competitividad privada que aun mantienen respecto de las formas tradicionales de energía.

La situación anterior podría cambiar en el futuro debido, entre otros, a la necesidad de incrementar constantemente la oferta eléctrica (fenómeno propio de un país en vías de desarrollo que experimenta un crecimiento económico sostenido), y al avance sostenido que mantiene el desarrollo tecnológico de las ERNC en generación eléctrica fomentado por las políticas internacionales de protección ambiental. Estos elementos pueden traducirse en un escenario futuro más propicio para la inversión en este tipo de proyectos.

Aplicaciones en electrificación rural Uno de los objetivos de la política emprendida en electrificación rural es la opción por la utilización de energías renovables en aquellos proyectos de pequeña escala donde existe la tecnología apropiada y donde es competitiva con las formas tradicionales de abastecimiento eléctrico. Dado ello, las energías renovables no convencionales tienen un espacio de desarrollo dentro del Programa Nacional de Electrificación Rural, de tal forma que hoy existen diversas aplicaciones que proveen de electricidad a comunidades rurales aisladas mediante el uso de energías renovables y proyectos específicos destinados a promover su uso.

Energía biomasa en Chile Por biomasa se entiende el conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformación natural o artificial de la misma. La energía de la biomasa corresponde entonces a toda aquella energía que puede obtenerse de ella, bien sea a través de su quema directa o su procesamiento para conseguir otro tipo de combustible.

Actualmente la biomasa es utilizada en Chile para producir electricidad e inyectarla a la red, mediante plantas de cogeneración eléctrica que aprovechan los residuos energéticos (licor negro, cortezas), de otros procesos industriales tal como la producción de celulosa.

Aplicaciones en Chile de la Energía No Convencional de la Biomasa Un significativo aporte al uso de las energías renovables no convencionales lo constituye la extracción del biogás desde vertederos de basura. Posteriormente éste es procesado y se utiliza, en forma comercial, como componente del gas de ciudad en Santiago y Valparaíso.

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Energía eólica en Chile En Chile se han realizado algunos estudios tendientes a caracterizar parcialmente el potencial energético eólico nacional y hay otros en ejecución. Durante 1992, se hizo una recopilación de la mayoría de la información de viento disponible a esa fecha, a partir de la cual se evaluó el recurso eólico en lugares con información confiable (Evaluación del potencial de energía eólica en Chile, CORFO). Dada la baja densidad y características de las estaciones meteorológicas disponibles, el estudio no permitió tener una visualización integra del potencial eólico de Chile.

Recientemente, CNE ha realizado dos estudios que actualizan el estudio antes señalado en lo referido a recopilación y análisis de información meteorológica de superficie entre las regiones de Atacama y de Los Lagos. Además, se desarrolla una evaluación preliminar del potencial eólico entre la I y IX Región, basado en el reprocesamiento de resultados disponibles de modelos meteorológicos de mesoescala. Dado que la información observacional recopilada no fue obtenida con fines de prospección eólica, los resultados de estos estudios deben ser usados con precaución, pues no permiten descartar zonas que aparentemente presentan bajo potencial. Pese a ello, los estudios logran identificar algunas zonas costeras en las regiones analizadas donde, tanto la información observacional como los resultados de los modelos de mesoescala, señalan un potencial eólico interesante.

Por su parte, en los últimos años varias empresas han comenzado mediciones del recurso eólico en Chile con fines de evaluación de parques eólicos en los Sistemas Eléctricos Central y del Norte Grande, con lo cual el conocimiento sobre el potencial de este recurso en el país crece rápidamente.

Proyectos conectados a sistemas eléctricos: En la actualidad existe en operación en Chile uno de estos proyectos: "Alto Baguales".

Corresponde a un parque de tres aerogeneradores (660 Kw c/u) con una capacidad conjunta de 2 MW nominal. Se encuentra conectado desde noviembre de 2001 al Sistema Eléctrico de Aysén, que atiende a 19.000 familias de la XI Región del país. El propietario del proyecto es la Empresa Eléctrica de Aysén.

Proyectos aislados de abastecimiento de pequeñas localidades: Desde un punto de vista de tamaño, el más relevante es el Proyecto Piloto de Generación Eólica en la Isla Tac, en el Archipiélago de Chiloé (X Región). El proyecto se encuentra en operación desde octubre del 2000 y corresponde a un sistema híbrido eólico-diesel que consta de dos aerogeneradores de 7.5 kw cada uno. Ha beneficiado a 79 familias y a 3 centros comunitarios de la isla.

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Energía geotérmica en Chile.

Chile es un país ubicado, íntegramente, en lo que se conoce como "Cinturón de Fuego del Pacífico", región del planeta que se caracteriza por su intensa actividad sísmica y volcánica. Esto último es, probablemente, el rasgo más común que se observa en la historia geológica del país en los últimos 130 millones de años. Asociado al volcanismo existen en el país numerosas áreas con actividad geotermal, actividad que fue aún más abundante en el pasado geológico del territorio.

Gran parte de las áreas con actividad geotermal en Chile, sino todas ellas, se ubican en, o son vecinas a zonas de reconocida actividad volcánica actual o plio-pleistocena. De ello es posible inferir que la fuente de calor que genera la actividad geotermal se encuentre probablemente en este magmatismo reciente. No debe descartarse, sin embargo, otras posibles fuentes de calor tales como zonas de intenso cizallamiento en la corteza terrestre, también comunes en Chile.

El Servicio Nacional de Geología y Minería lleva un catastro de manifestaciones termales en Chile, sitios que se estima pueden poseer un potencial geotérmico aprovechable energéticamente.

La tabla siguiente resume estos sitios:

Figura 18 Ubicación de las fuentes de energía geotérmica en Chile.

Fuente: Comisión Nacional de Energía.

A pesar que se estima que la energía geotérmica es abundante a lo largo de todo el territorio nacional (del orden de miles de MW útiles), no ha sido explorada en profundidad, ni utilizada como fuente para generar energía eléctrica y sólo ha sido usada hasta ahora con fines medicinales y turísticos.

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Se espera que la situación anterior cambie a causa de la disminución de los costos de la tecnología de conversión de energía geotérmica a eléctrica, ocurrida en la década del noventa, y a la promulgación en enero del 2000 de la Ley Nº 19.657 "Sobre Concesiones De Energía Geotérmica", la cual establece un marco reglamentario claro y estable para la exploración y explotación de este tipo de energía.

Legislación Geotérmica en Chile En 1999, y luego de 9 años de discusión en el Congreso, se aprobó la Ley Nº 19.657 "Sobre Concesiones De Energía Geotérmica", la cual fue publicada en el Diario Oficial el 7 de enero de 2000. La ley establece que la energía geotérmica es un bien del Estado, susceptible de ser explorada y explotada, previo otorgamiento de una concesión por parte del Estado.

Por medio de esta ley se definen las condiciones reglamentarias para la participación de empresas privadas en las actividades de exploración y explotación de esta fuente energética, excluyendo de sus alcances las aguas termales que se utilicen para fines sanitarios, turísticos o de esparcimiento.

Además, reglamenta las relaciones entre los concesionarios, el Estado, los dueños del terreno superficial, los titulares de pertenencias mineras y las partes de los contratos de operación petrolera o empresas autorizadas por ley para la exploración y explotación de hidrocarburos, y los titulares de derechos de aprovechamiento de aguas.

Las concesiones que esta ley establece que puede otorgarse son de exploración o explotación. Sus principales características se detallan en el cuadro siguiente:

Figura 19 Concesiones según exploración y explotación energía geotérmica.

Fuente: Comisión Nacional de Energía.

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Este Ministerio, a abril de 2004, ha otorgado 13 concesiones para exploración geotérmica, según el siguiente detalle: Concesiones de exploración geotérmica vigentes en Chile a abril de 2004.

Figura 20 Concesiones de energía existentes en Chile.

Fuente: Comisión Nacional de Energía.

Energía hídrica en Chile.

La potencia obtenida a través de los recursos hidráulicos depende del volumen de agua que fluye por unidad de tiempo y de la altura de caída de ésta. Una central hidroeléctrica es un conjunto de obras destinadas a convertir la energía cinética y potencial del agua, en energía utilizable como es la electricidad. Esta transformación se realiza a través de la acción que el agua ejerce sobre una turbina hidráulica, la que a su vez le entrega movimiento rotatorio a un generador eléctrico.

La energía hidráulica convencional, aquella utilizada para generación eléctrica en grandes centrales conectadas a sistemas eléctricos, es una de las fuentes primarias principales de abastecimiento energético en Chile. (Ver Detalle) Por su parte, las mini y micro centrales hidroeléctricas y los hidrocargadores, se consideran como energías renovables no convencionales, debido a su menor nivel de implementación y a que en los sectores rurales se constituyen en una alternativa para la provisión de electricidad.

Actualmente se contabilizan alrededor de 110 instalaciones de este tipo en el país, destinadas principalmente a la electrificación de viviendas y a telecomunicaciones.

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Energía solar en Chile.

En Chile, la energía solar es utilizada preferentemente en la zona norte del país, en donde existe uno de los niveles de radiación más altos del mundo. De acuerdo a la información disponible en el archivo solarimétrico nacional elaborado por la Universidad Técnica Federico Santa María, las radiaciones solares diarias para las regiones del país son las siguientes:

Figura 21, Radiación según región de Chile.

Fuente: Comisión Nacional de Energía.

Las evaluaciones de tales registros demuestran que el norte de Chile presenta condiciones extraordinariamente favorables para la utilización de la energía solar. Específicamente entre las regiones I y IV, el potencial de energía solar puede clasificarse entre los más elevados del mundo.

En el marco del Programa de Electrificación Rural (PER), municipalidades, Gobiernos Regionales y particulares, han instalado estos sistemas para alumbrado y electrificación de viviendas. Entre 1992 y 2000 se han instalado cerca de 2.500 soluciones individuales con sistemas fotovoltaicos, para abastecer de energía eléctrica a viviendas rurales, escuelas y postas.

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La energía mareomotriz en Chile.

Este tipo de energía renovable es aun difícil de usar y evaluar; se estima escaso el potencial, por kilómetro de costa útil, para conversión de energía de olas en eléctrica. Esto es producto de la escasa altura media de las olas y de la dificultad que representa el aprovechamiento de caudales adecuados, cambiantes cíclicamente en magnitud y dirección de flujo. Se conoce que en el país se hicieron instalaciones experimentales sin éxito, que fueron destruidas por tempestades. Se estima que la energía de olas aun no es una opción clara de abastecimiento a futuro.

Sin embargo una empresa chilena e israelí crearon un proyecto para generar electricidad mediante la fuerza del oleaje, en las cuatro mil 300 kilómetros de costa de nuestro país, con olas de hasta siete metros. (Fuente: Teletrece internet 28 de agosto de 2007.)

El sistema funciona gracias a pedales activados por las olas, lo que genera presión con el soporte.

La energía es transmitida a un contenedor, allí se acumula para ser liberada a un motor hidráulico que la conectará a un generador de electricidad convencional. Jorge Troncoso, director de la empresa Atigva, sostiene que la estabilidad del sistema es bastantemente alta, solo es afecta por casos de condiciones extremas, es decir por temporales de gran magnitud. Esto está lejos de ser la solución al problema energético. De hecho, el proyecto piloto sólo cubriría el 0.1 por ciento de la demanda. Pero los expertos consideran que la energía de las olas puede ser relevante en un futuro de Chile.

Si este tipo de energías se compara con otros sistemas de generación de energía incluyendo petróleo, vientos, la energía de las olas es la más eficiente.

(Fuente: Amram Olmert, de China Agricural University.)

En Chile estos proyectos se pueden considerar de carácter experimental y como avances sumamente útiles en futuros bastante lejanos, pero en los que sin duda los medios convencionales para generar la energía van a ser más escasos existen futuros proyectos para aprovechar las olas de Antofagasta, Tocopilla y Chiloé las cuales serían las más atractivas para generar energía mareomotriz.

En Chile existen lugares con alto potencial para la aplicación de distintos tipos de dispositivos.

Zona Sur • Canal de Chacao (Chiloé).

• Canales y ensenadas con cambios de marea relevantes.

Zona Austral • Canales australes.

• Estrecho de Magallanes.

• Canal Beagle.

• Cabo de Hornos.

Siendo la zona austral la cual presenta el mayor potencial, pero su principal desventaja son los temporales y tempestades.

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Central mareomotriz sobre el canal de Chacao.

Proyecto Canal de Chacao, Puente y energía mareomotriz.

Si bien continúan su curso normal las millonarias obras del Plan Chiloé, que nació luego de que el gobierno de Michelle Bachelet cerró en 2006 las puertas al puente en el Canal de Chacao por su elevado costo de concesión, el polémico viaducto impulsado por la administración de Ricardo Lagos (anterior presidente de Chile), volvió a reflotar.

Ello, porque los ministros de Obras Públicas y Energía, Sergio Bitar y Marcelo Tokman, respectivamente, están trabajando en conjunto para ver la factibilidad de unir a la construcción del puente, al desarrollo de energía mareomotriz.

Así fue afirmado por el titular del MOP (Ministerio de Obras Publicas), quien se refirió a este tema en una reunión con representantes del Banco Mundial (BM). Donde les comentó a los ejecutivos de la entidad internacional el plan con Energía que, de cierto modo, revive la propuesta que hace un par de años hizo el ingeniero René Fischman, quien planteó asociar la energía mareomotriz al puente que uniría la Isla de Chiloé con el continente. Sin embargo, ese planteamiento fue desechado por el MOP, en la época en que Jaime Estévez era ministro, quien argumentó el alto precio de la obra y los pocos beneficios sociales para la zona.

Figura 22 Vista del posible proyecto puente sobre el canal de Chacao.

En Chile se ha pensado sobre la energía mareomotriz y la zona donde hay más potencial es en el Canal de Chacao. Por lo tanto, El ministro del MOP planteo el estudio del proyecto de puente sobre este canal y conjuntamente hacer los estudios sobre mareas y corrientes, para analizar qué tecnología se podría utilizar para aprovechar este tipo de energía en Chile.

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Figura 23 Mapa de Canal de Chacao Chile.

El ministro del MOP, señalo “si tenemos un puente ahí y se hacen fundaciones, se podrían realizar inversiones adicionales a un costo más bajo”. Ello, para instalar aparatos (turbinas) fijos que generen energía mareomotriz, aunque también dispositivos del tipo móviles.

Es importante señalar que solo en el caso del Canal de Chacao existe un potencial de 3 Gigawatts de potencia segura a costos competitivos, además de lograr el objetivo de conectividad de la Isla de Chiloé.

A esto se suma el interés de empresas como Hydro Chile, de capitales canadienses, y de otras especializadas en el tema de energías renovables para indagar sobre las posibilidades de utilizar el anclaje central de un puente en el Canal de Chacao para instalar allí turbinas aferradas mediante cables para no interferir con la circulación de buques ni con las corrientes marinas.

Figura 24 Piedra de soporte estructural para puente sobre el Canal de Chacao Chile.

Fuente: LA TERCERA, Nacional, Domingo 22 de junio de 2008

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El aprovechamiento de la energía mareomotriz es rentable desde todo punto de vista porque un puente cuesta entre 900 y 1.000 millones de dólares; un túnel con la nueva tecnología cuesta del orden de los 500 a 600 millones de dólares y en el caso de viaducto con turbinas, solo con la generación eléctrica se financia toda la obra.

La posible construcción se realizaría, aprovechando que el tendido de alta tensión que alimenta a Chiloé, pasa justo a la altura del punto en que se construiría el puente, por sobre la denominada Roca Remolinos. Allí las corrientes marinas se mueven con mayor fuerza por gran parte del día, hacia el interior del golfo de Chiloé, A ello se añaden los convenios que el MOP ha suscrito con el Centro de Estudios Científicos que encabeza Claudio Bunster en Valdivia y con organismos internacionales, para realizar estudios sobre las posibilidades energéticas del país.

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En 2006 se comentaba anteriormente, un ingeniero chileno ya había expuesto al MOP un proyecto similar, aunque planteaba la construcción de un dique a lo largo de todo el estrecho del Chacao. En este caso, las proyecciones técnicas están basadas en la arquitectura que tendría el Puente Chacao, proyectado para erigirse entre el continente y la isla a mediados de la próxima década. Según explicaron fuentes ligadas al estudio del proyecto, ejecutivos de HydroChile, una empresa chilena de capitales canadienses dedicada a las minicentrales de paso, se acercaron al MOP hace meses para indagar las posibilidades. La idea sería utilizar el anclaje del pilar central del puente para instalar ahí turbinas operadas por aspas subterráneas que se incrustarían en la base de la Roca Remolinos

Fuente: LA TERCERA, Nacional, Domingo 22 de junio de 2008

Figura 25 Sistema de aspas para le proyecto canal de Chacao Chile.

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El proyecto de René Fischman y Blue Energy, Terraplén.

En Chile ha existido sólo un intento por construcción de una central mareomotriz; consistió en el diseño de un viaducto sobre el canal de Chacao, con centrales mareomotrices de corriente marina.

El proyecto en cuestión fue ideado por el ingeniero René Fischman, y desarrollado por la empresa canadiense Blue Energy.

Figura 26 Esquema de un conversor con turbina vertical (Davis).

El canal de Chacao, ubicado en la X Región de Los Lagos, separa a Chile continental con la isla de Chiloé. De acuerdo a los análisis del ingeniero, las corrientes marinas fluyen a una velocidad de 8 nudos, la que aumentaría a 10 nudos por la construcción del terraplén. El ancho del canal en la zona donde se ubica el proyecto es de aproximadamente 5 km, con una profundidad promedio de 70 m. El proyecto consiste en la creación de un terraplén, rellenando el lecho marino, bajo 200 turbinas axiales verticales (Davis), y por encima un puente En uno de los costados del puente se colocaría un puente levadizo para permitir el paso de los buques. Cada turbina Davis tendría una potencia máxima de 15 MW, logrando así un total de 3 GW de potencia. La construcción del terraplén y el viaducto costarían unos 65 millones de dólares.

Figura 27 Esquema de barrera compuesto por turbinas Davis.

Los problemas de éste proyecto fueron principalmente derivados por el precoz desarrollo de la tecnología, volviéndose sumamente dudosa la obtención real de 3 GW. Además la empresa encargada de la construcción del proyecto, Blue Energy, no había realizado trabajos de tal magnitud, por lo que involucraba un riesgo que no funcionara del todo correctamente, o que los

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costos del proyecto aumentaran, provocando un costo mayor del precio final de la energĂ­a. Otro aspecto muy importante fue el impacto ambiental que provocarĂ­a dicha muralla en el canal, siendo una barrera para la biodiversidad, similar a la construcciĂłn de una represa, pudiendo tener consecuencias nefastas para una zona altamente pesquera.

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Energías secundarias en Chile.

Se denomina energía secundaria a los productos resultantes de las transformaciones o elaboración de recursos energéticos naturales (primarios) o en determinados casos a partir de otra fuente energética ya elaborada, por ejemplo l Alquitrán. El único origen posible de toda energía secundaria es un centro de transformación y, el único destino posible un centro de consumo.

Este proceso de transformación puede ser físico, químico o bioquímico modificándose así sus características iníciales.

Son fuentes energéticas secundarias la electricidad, toda la amplia gama de derivados del petróleo, el carbón mineral, y el gas manufacturado (o gas de ciudad).

El grupo de los derivados del petróleo incluye una amplia variedad de productos energéticos útiles que se obtienen a partir del procesamiento del petróleo en las refinerías, entre los cuales se encuentran las gasolinas, los combustibles diesel (gasóleos) y otros.

Clasificación de energías secundarias.

Petróleos Combustibles, Alquitrán, Petróleo Diesel, Gasolina 93, 95 y 97,Gasolina 93 Con Plomo, Gasolina de Aviación, Kerosene de Aviación, Kerosene, Nafta, Gas Licuado, Gas de Refinería, Gas de Ciudad, Gas de Altos hornos, Metanol, Coke o coque, carbón, electricidad, leña, biogás.

Figura 28 Componentes energía primaria, según proceso.

Fuente: Comisión Nacional de Energía.

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Balance Energía Secundaria año 2007.

Figura 29 Balance de energía 2007.

Fuente: Balance nacional de energía BNE 2007, Gobierno de Chile, Comisión Nacional de Energía.

Evolución del consumo NETO de energías segundarias en Chile. 1978-2007

Figura 30 Consumo de energía secundaria Chile.

Fuente: Balance nacional de energía BNE 2007, Gobierno de Chile, Comisión Nacional de Energía.

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Matriz energética de Chile y Consumo En Chile existen diversas fuentes de energía según su disponibilidad en la naturaleza, su propiedad de no agotarse al aprovecharla, y su grado de utilización o penetración en el mercado, entre otras. Las fuentes energéticas son aquellos recursos o medios capaces de producir algún tipo de energía y luego consumirla. Estas fuentes pueden clasificarse en primarias, secundarias, renovables o no renovables.

Como fuentes no renovables o agotables están el carbón, el petróleo, el gas natural y las fuentes geotérmicas de energía que aprovechan la fuerza interna de la tierra. Entre las renovables o inagotables se cuentan la hidráulica (ríos y olas), la solar, la eólica (viento), la oceánica (las mareas) y la fuente orgánica de energía (la biomasa). Cualquiera de las fuentes mencionadas es capaz de producir, entre otras, la energía eléctrica o electricidad.

Se denomina energía primaria a los recursos naturales disponibles en forma directa o indirecta.

Entre los primeros están la energía hidráulica, eólica y solar. La indirecta implica atravesar por un proceso minero, como por ejemplo, el petróleo, el gas natural y el carbón mineral, quedando disponibles para su uso energético, sin necesidad de someterlos a un proceso de transformación.

Se llama energía secundaria a los productos resultantes de las transformaciones o elaboración de recursos energéticos naturales (primarios) o, en determinados casos, a partir de otra fuente energética ya elaborada, por ejemplo, alquitrán. El único origen posible de toda energía secundaria es un centro de transformación, y el único destino posible, un centro de consumo. El proceso de transformación puede ser físico, químico o bioquímico, modificándose así sus características iníciales. Son fuentes energéticas secundarias: la electricidad, toda la amplia gama de derivados del petróleo, el carbón mineral, y el gas manufacturado o gas de ciudad.

El grupo de los derivados del petróleo incluye una amplia variedad de productos energéticos útiles que se obtienen a partir del procesamiento del petróleo en las refinerías, entre los cuales se encuentran las gasolinas, los combustibles diesel (gasóleos) y otros.

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Energías renovables Las energías renovables se caracterizan porque en sus procesos de transformación y aprovechamiento en energía útil no se consumen ni se agotan en una escala humana. Entre estas fuentes de energías están: la hidráulica, la solar, la eólica y la de los océanos. Además, dependiendo de su forma de explotación, también pueden ser catalogadas como renovables la energía proveniente de la biomasa y la energía geotérmica.

Las energías renovables suelen clasificarse en convencionales y no convencionales, según sea el grado de desarrollo de las tecnologías para su aprovechamiento y la penetración en los mercados energéticos que presenten. Entre las energías convencionales, la más difundida es la hidráulica, a gran escala.

Como energías renovables no convencionales (ERNC) se consideran la eólica, la solar, la geotérmica y la de los océanos. Además, existe una amplia gama de procesos de aprovechamiento de la energía de la biomasa que pueden ser catalogados como ERNC. De igual manera, el aprovechamiento de la energía hidráulica en pequeñas escalas se suele clasificar en esta categoría.

Históricamente, la matriz energética de Chile ha contado con una participación importante de energías renovables, en particular de la energía hidráulica convencional utilizada para generación eléctrica. Esta participación ha disminuido en los últimos años producto del crecimiento de sectores que tienen un consumo intensivo de derivados del petróleo, como el transporte, y del aumento de la capacidad de generación eléctrica térmica a partir de gas natural. Sin perjuicio de ello, la participación de las energías renovables sigue siendo significativa en el abastecimiento energético nacional, tal como se desprende del balance de consumo bruto de energía primaria del año 2001.

Si bien las ERNC presentan una participación marginal en el consumo bruto de energía en Chile, han tenido un espacio de desarrollo en el abastecimiento energético de zonas rurales. Las energías renovables no convencionales que poseen un potencial de desarrollo en Chile son la eólica, la biomasa, la solar, la hidráulica y la geotérmica. Chile detenta un enorme potencial hidroeléctrico, del cual solo aprovecha algo más de un 10%. A este debe sumarse el potencial que ofrece la generación de energía heliotérmica en casi todo su territorio, lo mismo que la energía eólica y geotérmica, de las cuales solo la energía solar se está aprovechando en forma más extensa, aunque dista mucho de estar incorporada al consumo habitual en la economía chilena.

La energía eléctrica El mercado eléctrico en Chile está compuesto por las actividades de generación, transmisión y distribución de suministro eléctrico. Estas actividades son desarrolladas por empresas que son controladas en su totalidad por capitales privados, mientras que el Estado solo ejerce funciones de regulación, fiscalización y de planificación indicativa de inversiones en generación y transmisión.

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Participan de la industria eléctrica nacional un total aproximado de 31 empresas generadoras, 5 empresas transmisoras y 34 empresas distribuidoras, que en conjunto suministran una demanda agregada nacional que en el 2004 alcanzó los 48.879,8 gigawatts-hora (GWh). Esta demanda se localiza territorialmente en cuatro sistemas eléctricos (SING, SIC, Aysén y Magallanes).

La potencia bruta instalada total es de 8.512,0 MW, de los cuales el 55,75% corresponde a centrales hidroeléctricas y 44,25 a termoeléctricas.

Generación, transmisión y distribución.

Las empresas eléctricas propietarias de centrales generadoras de electricidad, son las que transmiten y distribuyen a los consumidores finales.

El sistema de transmisión corresponde al conjunto de líneas, subestaciones y equipos destinados al transporte de electricidad desde los puntos de producción (generadores) hasta los centros de consumo o distribución. En Chile se considera como transmisión a toda línea o subestación con un voltaje o tensión superior a 23.000 (V).

Los sistemas de distribución están constituidos por las líneas, subestaciones y equipos que permiten prestar el servicio de distribuir la electricidad hasta los consumidores finales localizados en zonas geográficas explícitamente limitadas. Las empresas de distribución operan bajo un régimen de concesión de servicio público de distribución, con obligación de servicio y con tarifas reguladas para el suministro a clientes regulados.

Figura 31 Sistemas Eléctricos en Chile.

Fuente: CNE

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Sistemas eléctricos.

En Chile existen cuatro sistemas eléctricos interconectados. El Sistema Interconectado del Norte Grande (SING), que cubre el territorio comprendido entre las ciudades de Arica y Antofagasta, con un 30,17% de la capacidad instalada en el país; el Sistema Interconectado Central (SIC), que se extiende entre las localidades de Tal tal y Chiloé, con un 69,01% de la capacidad instalada en el país; el Sistema de Aysén que atiende el consumo de la Región XI con un 0,28% de la capacidad; y el Sistema de Magallanes, que abastece la Región XII con un 0,54% de la capacidad instalada en el país. El año 2005 la generación de energía eléctrica registró un total anual de 51.575 GWh. El Sistema Interconectado Central posee una potencia instalada de 4.290 MW _sin contar Pangue_, distribuida en 28 centrales hidroeléctricas y 11 térmicas, que abastecen la zona comprendida entre Tal tal y Chiloé.

El consumo de energía en el Sistema Interconectado Central que abastece al 93% de la población nacional, creció un 6,5% el año 2006, superando el 4,5% registrado el 2005. Dado el nivel de crecimiento de la demanda de energía en el SIC, se estima que se requeriría incorporar unos 400 MW al año de capacidad instalada para satisfacerla.

En relación con la acumulación de agua en los embalses, algunos de los cuales proveen a las centrales hidroeléctricas, el 2007 se aprecia como un año tranquilo gracias a la acumulación existente.

Fuentes: Proyección de Inversión en Generación en Chile, Aníbal Bascuñán B. Gerente de Proyectos Endesa, 2008

Hidrocarburos: gas y petróleo La Constitución Política de Chile establece que "el Estado tiene el dominio absoluto, exclusivo, inalienable e imprescriptible de", entre otros, "los depósitos de carbón e hidrocarburos y las demás sustancias fósiles". En este marco, el Estado de Chile ha adoptado la política de fomentar los Contratos de Operación Petrolera a través de la Empresa Nacional de Petróleo (ENAP), la que puede participar directamente con las empresas privadas interesadas en este tipo de contratos. De acuerdo a la política económica del país, en este sector existe libertad para invertir, importar y exportar hidrocarburos líquidos, gaseosos y sólidos. Cabe hacer notar que, actualmente, Chile es importador neto de hidrocarburos.

La principal fuente de suministro de crudo para Chile es la cuenca de Neuquén en Argentina, con una participación superior al 50% dentro de la demanda nacional. El consumo de productos derivados del petróleo, por su parte, alcanzó en el 2001 a 12.961 m3, de los cuales el 87.2% fue

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abastecido por refinación nacional. El gas natural también proviene mayoritariamente de la cuenca de Neuquén en Argentina, en tanto que el suministro nacional se circunscribe solo a la zona de Magallanes (Punta Arenas, Puerto Natales y Porvenir). Al respecto, el consumo total de gas natural en el 2001 fue de 68.359 teracalorías, de las cuales un 35,3% correspondieron a producción nacional.

En la actualidad, el sector hidrocarburos líquidos se encuentra constituido por la empresa petrolera estatal ENAP y sus filiales, las que participan en la exploración y explotación de petróleo, refinación, servicios de almacenamiento y transporte de productos. Para la refinación de petróleo existe capacidad de 34.100 m3/día, pertenecientes a ENAP. La distribución de combustibles al público está constituida por 8 compañías para productos líquidos, y 10 para el gas licuado.

En el caso del gas natural, actualmente existen 6 compañías de distribución de gas de red, 3 comercializadoras y 8 compañías de transporte por ductos.

En el sector de hidrocarburos sólidos existen normalmente 2 empresas importadoras de carbón relevantes y 3 empresas productoras de la mediana minería del carbón, además de los empresarios de la pequeña minería. El consumo total en el 2001 fue de 25.206 teracalorías, de las cuales solo un 16% correspondió a producción nacional.

Exploración y explotación.

Los yacimientos petrolíferos están concentrados en la cuenca de Magallanes, en tres zonas denominadas "Distritos": Continente, Isla Tierra del Fuego y Costa Afuera. Actualmente la mayor producción de petróleo crudo y gas natural proviene de los yacimientos Costa Afuera, desarrollados a partir de la década de los ochenta. Desde 1950 se han descubierto 23 yacimientos en la cuenca magallánica chilena, de los cuales 12 cuentan con reservas probadas de por lo menos 1.600 millones de m3 de gas cada uno.

De acuerdo a la legislación vigente, los yacimientos son de propiedad del Estado, el que puede ejercer la facultad de explotarlos a través de la ENAP, concesiones administrativas o bien mediante Contratos Especiales de Operación Petrolera (CEOP), que son los que más se han utilizado en el último tiempo.

A diciembre del 2001, el registro de la producción acumulada de petróleo ascendió a 69.295 miles de m3, en tanto que, para el caso del gas natural, esta cifra llegó a 91.256 millones de m3.

•

Carbón

El carbón térmico mayoritariamente llega a los principales centros de consumo a través de importaciones, constituyendo este segmento más del 80% de la oferta. Principalmente se trae carbón térmico desde Australia, existiendo estabilidad de suministro a precios competitivos

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internacionalmente. Los mayores consumidores de carbón térmico son las empresas generadoras de electricidad que operan unidades a carbón.

•

Biocombustibles líquidos

Los biocombustibles líquidos son alcoholes, éteres, aceites y otros compuestos químicos producidos a partir de materia orgánica, tal como las plantas herbáceas, oleaginosas y leñosas, residuos de la agricultura y actividad forestal, como también de una gran cantidad de desechos biológicos industriales, como es el caso de los desperdicios y los subproductos de la industria alimenticia.

A nivel internacional, hoy en día existe un gran interés por parte de varios países tendientes a una mayor utilización de los biocombustibles líquidos, debido a que estos permiten: diversificar la matriz energética con nuevas fuentes renovables de energía; aportar en la seguridad de suministro; incentivar y sustentar la producción agrícola; y aportar significativamente al mejoramiento del medio ambiente.

La principal forma de utilización de los biocombustibles líquidos es como combustible en motores a gasolina y motores diesel, siendo los más comunes el etanol o alcohol etílico, y el biodiesel.

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La matriz energética de Chile PIB y Consumo de energía eléctrica

Figura 32 Crecimiento de PIB según Consumo de Energía.

Fuentes: Comisión Nacional de Energía y Banco Central

Al observar este grafico podemos decir que chile requiere diversificar su matriz energética pero también aumentar la capacidad instalada para generar energía eléctrica, ya que se el PIB crece según la tendencia del consumo eléctrico, por ende al no tener una mayor capacidad instalada suficiente provocara un estancamiento del crecimiento nacional en el futuro, es decir desarrollo económico y crecimiento energético son dependientes mutuamente.

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Composición de la matriz eléctrica de Chile Matriz Electrica, año 1995 2% 13%

0% Gas Natural Hidro Carbón

28%

57%

Diesel-Fuel Oil Otros

Figura 33 Matriz eléctrica 2005 Chile.

Fuente: Balance Energético 1995 y 2007, CNE. CDEC-SIC y CDEC-SING

Matriz Eléctrica ,año 1995 Gas Natural 0,0% Hidro 57,0% Carbón 28,0% Diesel-Fuel Oíl 13,0% Otros 2,0% Energías Primarias, CNE Petróleo Crudo Gas Natural Carbón Hidroelectricidad Leña y Otros

2004 39% 19% 10% 18% 14%

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Energias Primarias, 2004 CNE

14% Petroleo Crudo 39%

Gas Natural

18%

Carbon Hidroelectricidad Leña y Otros

10% 19%

Fuente: CNE, año 2004

Matriz Electrica ,Junio 2007

7% 2% 16%

37%

Gas Natural Hidro Carbón Diesel-Fuel Oil Otros

38%

Figura 34 Matriz eléctrica 2004.

Fuente: Balance Energético 1995 y 2007, CNE. CDEC-SIC y CDEC-SING

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Matriz Eléctrica, Junio 2007 Gas Natural 37,5% Hidro 38,0% Carbón 16,1% Diesel-Fuel Oíl 6,9% Otros 1,50% Lo primero que podemos observar es la incidencia del gas natural desde un 0% a un 37%, aquí se puede observar que la diversificación de la matriz energética de chile en un lapso de 12 años, pero actualmente los constantes cortes del suministro de gas, han afectado provocando una desaceleración del crecimiento económico del país.

Capacidad Instalada de Generación Eléctrica en Chile, año 2005 Capacidad Instalada, Chile año 2005 0% 1%

Petroleo

4%

Diesel

28% 30%

Gas Natural Carbon Pasada Embalse

11%

8% 18%

Biomasa Eolica

Figura 34 Capacidad instalada 2005. Chile.

Fuente: Balance Energético 1995 y 2007, CNE. CDEC-SIC y CDEC-SING

Capacidad Instalada de Generación Eléctrica en Chile, 2005 Petróleo 3,90% Diesel 29,20% Gas Natural 8,10% Carbón 17,90% Pasada 11,10% Embalse 28,30% Biomasa 1,40% Eólica 0,02% Fuente: Balance Energético 1995 y 2007

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Podemos afirmar que existe una diversificación de la capacidad instalada cercana al 1,42%, esto representa un avance en la dirección de energías renovables, lo cual crea elementos sustitutos para nuestro proyecto.

Consumo de energía eléctrica por sector económico año 2002-2005 Distribución de energía eléctrica por cliente (GWh) Año Total Residencial Comercial 2002 43336 7226 4084 2003 45884 7600 4565 2004 49550 7986 5101 2005 52610 8369 5654

Minero 14575 15648 16567 16989

Agrícola 684 789 902 988

Industrial 12329 13230 14880 15515

Otros 4438 4052 4114 5095

Fuente: INE, 16 junio 2006

Distribucion de energia electrica por cliente (GWh)

10%

17% Residencial 9%

28%

Comercial Minero Agricola Industrial Otros

2%

34%

Figura 35 Distribución de energía por cliente.

Fuente: INE, 16 junio 2006

Cabe destacar el mercado potencial es representado mayoritariamente por el sector minero, en distribución de energía eléctrica por cliente.

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Consumo energético primario año 2006 Consumo Primario Energetico año 2006

8% 12%

Petroleo Crudo 40%

Gas Natural Leña y Otros

16%

Carbon Hidroelectricidad 24%

Figura 36 Consumo Primario energético 2006.

Fuente: SOFOFA, año 2007 Consumo Primario Energético, 2006 Petróleo Crudo 40% Gas Natural 24% Leña y Otros 16% Carbón 12% Hidroelectricidad 8%

En este grafico nuevamente apreciamos que aproximadamente el 48 % de nuestro consumo nacional de energía corresponde a energías no renovables con tendencia de incrementar su precio de venta en el futuro, queda al margen el carbón ya que existe abundancia de este recurso, en chile y en el mundo.

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Evolución de restricciones de gas natural al Sistema Interconectado Central.

Figura 37 Restricciones de gas natural.

Fuente: Comisión Nacional de Energía

Observamos la situación crítica de abastecimiento de gas sin embargo esta falta de abastecimiento que enfrentamos ahora es permanente y creciente en el tiempo, aquí se presenta una alternativa para cubrir la demanda existente a largo plazo.

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Grafico de energía embalsada sistema interconectado central.

ENERGIA EMBALSADA SIC 7.000

6.000

GIGAWATTS HORA (GWh)

5.000

4.000

3.000

2.000

1.000

CHAPO

Jul-07

Ene-07

Jul-06

Jul-05

Ene-06

Jul-04

RALCO

Ene-05

Ene-04

Jul-03

Jul-02

Ene-03

Jul-01

COLBUN

Ene-02

Ene-01

Jul-00

Jul-99

INVERNADA

Ene-00

Jul-98

Ene-99

Jul-97

RAPEL

Ene-98

Jul-96

Ene-97

Ene-96

Jul-95

Jul-94

Ene-95

Ene-94

0

LAJA

Figura 38 Energía embalsada en SIC. Fuente: Comisión Nacional de Energía CNE, año 2007.

Fuente: Abastecimiento de energía eléctrica, tecnologías alternativas y desafíos regulatorios, Hugh Rudnick, Pontificia Universidad Católica de Chile 2007.Abastecimiento de energía eléctrica, tecnologías alternativas y desafíos regulatorios

Observamos las oscilaciones que incluso llegan a puntos críticos y el riesgo de la dependencia hidrológica, enfatizando lo referente al embalse Laja, que concentra mayoritariamente la energía del SIC. Este es un análisis desde los periodos 1994-2006.

Es sumamente importante diversificar nuestras alternativas energéticas, nosotros observamos esta deficiencia.

Fuentes: • • • • •

Comisión energías alternativas. Proyecto país. 2008 HANDELS UND FINANZ A.G. Mauricio Moreno R. 2008 Hugh Rudnick, apuntes de clases mercados eléctricos, primer semestre 2007 Generación mareomotriz IEE-3372 mercados eléctricos Balance nacional de energía BNE 2007, Gobierno de Chile, Comisión Nacional de Energía. 2008.

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CAPÍTULO 2 LAS PROYECCIONES LOS DESAFIOS El agotamiento de las fuentes de energía no renovables, el ahorro monetario como también el cuidado del medio ambiente son algunas de las razones por lo que decidimos comenzar con la idea de crear un sistema, que proporcione energía eléctrica, utilizando el mar (mareas: mareomotriz, olas: undimotriz) además de contribuir con un modelo de de generación energética no convencional.

Las mareas y las olas producen fuerzas que pueden utilizarse para la generación de energía eléctrica, pensamos en desarrollar un sistema que sea aplicable al hogar, diseñamos algunos modelos o mecánicos, los cuales trabajen con la energía potencial que posee el mar, las olas, las mareas, y como complemento la fuerza de gravedad, una fuerza inagotable.

Es importante destacar que gran parte de nuestras fuentes de energía fundamentales pertenecen a recursos hídricos y gas natural, ambos han causado crisis energéticas en los últimos años, en el caso del recurso hídrico tenemos la sequía de finales de los años noventa, la cual llevo a un programa de racionamiento eléctrico, y en área del gas natural las restricciones y recortes de los envíos de gas natural por parte de Argentina hacia Chile. Recientemente se está impulsando un programa de eficiencia energética, a través de programas publicitarios por televisión, radio e Internet. Todos estos riesgos están presentes, por lo que es imperativo diversificar la matriz energética.

Al formularnos la definición del problema que inquieta a nuestro país, es importante destacar que fue un conjunto de problemas, los cuales serán enumerados a continuación: • • • •

Dependencia energética en chile.

Falta de obtención de energía de formas novedosas, o no convencionales, energías no convencionales (ENC).

Grave impacto ambiental y social que conlleva la obtención de energía de formas habituales en chile.

Desconocimiento de formas, métodos, dispositivos para generar energía, eléctrica utilizando el mar, es decir tecnología actual en este sector energético.

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LAS INNOVACIONES Cuando algo se mueve, está realizando un trabajo, y para realizar un trabajo es necesaria una energía. Si hay algo que esté en continuo movimiento, ese algo es el mar. Observando desde lejos puede parecer muy tranquilo, pero cuando nos acercamos a él comprobamos que su superficie se mueve continuamente mediante ondulaciones que pueden ser muy suaves o pueden convertirse en grandes olas que rompen estruendosamente al chocar contra los acantilados. Los cuerpos que flotan son arrastrados de aquí para allá por corrientes marinas. El nivel del mar tampoco está quieto, sino que sube y baja dos veces al cabo del día, constituyendo así el fenómeno de las mareas, que en ciertas zonas son predecibles, por lo que pueden cubrir y descubrir en pocas horas grandes extensiones de terreno.

Así, todo este movimiento es reflejo de la energía almacenada en el agua, y en ciertos lugares donde el movimiento es mucho mayor, lógicamente, el contenido en energía también será muy grande y tal vez se pueda aprovechar utilizando dispositivos o aparatos ingeniosos y eficaces.

Los movimientos más importantes del mar podemos clasificarlos en tres grupos: corrientes marinas, olas y mareas.

Las olas y las corrientes marinas tienen origen en la energía solar, mientras que las mareas son producidas por las atracciones del Sol y de la Luna.

Fundamentalmente el aporte que entregaremos será, proporcionar una nueva visión respecto a esta forma de obtención de energía, a través de una indagación concentrada del tema, exhibiendo las distintas alternativas y modelos de generación mareomotriz, centrales existentes en la actualidad, para promover el uso de este tipo de energías inagotables.

Complementariamente diseñar un prototipo que utilizara la energía potencial y cinética del mar, el cual comprende las siguientes etapas: • • • • •

Diseño en distintas fases, grados de perfeccionamiento.

Pruebas del diseño en ambiente simulado (marcha blanca, prueba piloto).

Analizar y buscar posibles variables que afecten el desempeño esperado del modelo.

Optimización del diseño, posible rediseño de prototipo.

Entrega un diseño del modelo.

En la actualidad existen 46 tipos de tecnologías en este campo, nosotros crearemos una nuevo tipo de modelo, no innovaremos en base a un prototipo existente.

Nuestros factores de innovación están orientados a la obtención de energía eléctrica, utilizando el movimiento perdurable del mar.

Analizaremos métodos, modelos, prototipos existentes, para así diseñar el modelo Aplicaremos innovación a nuestro diseño.

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Innovación en Producto Poseer un nuevo diseño en primera fase, para reducir los costos de fabricación, básicamente será un diseño el cual como atributo sería su capacidad de controlar movimientos fuertes o suaves es decir su adaptabilidad.

Innovación en Proceso Lo que se logró con los diseños en primera fase, es utilizar la energía mareomotriz, como complemento la aceleración de gravedad.

Algunos diseños en primera fase “diseños futuros” son eficientes, ya que utilizaran el flujo del mar (movimiento cinético del mar) y flujo de aire, para generar movimiento mecánico.

Innovación en Uso Su modo de uso se fue diseñado para ser ensamblada a pocos metros de la orilla, y para así minimizar los costos de instalación y mantención, diseñando módulos y compartimientos para su reparación.

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LAS TENDENCIAS Las tendencias indican que el consumo de energía por sector puede estar sometido al ritmo de desarrollo económico por región. A nivel mundial, los sectores industrial y de transporte son los que experimentarán un crecimiento más rápido, del 2,1% por año, en ambos sectores.

Crecimientos más lentos se producirán en el ámbito residencial y comercial, con un promedio anual de 1,5 y 1,9% entre 2002 y 2025. En los mercados consolidados, donde el crecimiento de la población se espera que sea muy pequeño o negativo, el sector comercial crece a un ritmo más rápido que en el resto de los sectores, y este incremento se basa en el desarrollo de las telecomunicaciones y equipamientos para oficinas, situación que pone en evidencia el desplazamiento de una sociedad industrial a una sociedad de servicios.

En los países de la OCDE, el incremento de consumo de energía en el sector transporte será del 0.9% entre 2004 y 2030, frente al 2,9% del resto de economías. Cifras similares se obtienen al comparar las consumos en otros sectores: industrial y residencial (0,6% frente a 2,4%) y comercial (1,2% frente a 3,7%). La explicación a esta gran diferencia es que se espera que las economías más avanzadas experimenten crecimientos de población lentos o incluso negativos, a la vez que se mejoran las instalaciones ya existentes para mejorar su eficiencia.

Fuente: Cambio climático –La energía nuclear no es la respuesta, Greenpeace, Briefing-2005 Fuente: Energía: Proyecciones Mundiales Recursos, Consumo, y Emisión de CO2-2003

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Tendencias mundiales La Figura muestra un cuadro de los objetivos de incorporación de energías renovables en otros países, con programas iniciados hace ya más de 10 años, [RE2006]. Se aprecia que para estos países la eficiencia energética y el empleo de las ERNC’s juegan un rol estratégico para asegurar el abastecimiento energético, la reducción de emisiones.

Figura 39 Incorporación de energías renovables en otros países Fuente: Renewable Global Status Report 2006.

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CAPITULO 3 LA ENERGIA MAROEMOTRIZ INTRODUCCION En este punto presentaremos un boceto, con respecto a la energía mareomotriz.

Las forma de obtención que abarcaremos en este documento son en primer lugar la energía mareomotriz (energía de las mareas) y en un segundo lugar la energía mareomotriz (energía de las olas), de la primera forma de obtener energía existen tres centrales en el mundo: la central de Rance en Francia, la cual entra en servicio en el año 1966, pionera en el mundo, luego en el año 1968 entra en servicio en Rusia la central de Kislaya, y finalmente la central de la bahía de Fundy, situada en la frontera de EE.UU. y Canadá, puesta en servicio en el año 1984.

En la actualidad, mayoritariamente existen prototipos, modelos, desarrollados por algunas empresas y universidades, estudios sobre el tema, los cuales no contemplan toda la información respectiva, por que existe una política de patentar los diseños otro aspecto que influye es la información se encuentra dispersa, cabe destacar que existen mas de 600 patentes desde 1973 a la fecha, y mas de 20 empresas en el mundo que desarrollan modelos para transformar la energía del mar.

Para finalizar existen ocho estudios sobre centrales en estudio en el mundo, una de ellas en argentina, específicamente en el golfo de San José, un lugar estratégico, por su ubicación, aquel sector posee una de las mareas más en océano atlántico.

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ESTADO DEL ARTE En centrales generadoras.

Es necesario describir cada una de las centrales mareomotrices; que utilizan las mareas para generar energía eléctrica y las centrales mareomotrices; que utilizan las olas para generar energía, que existen el mundo, para ello de elaboro este mapa conceptual de las centrales mareomotrices y otro para las centrales mareomotrices, las cuales servirán para una mejor comprensión.

Cada punto comprenderá una fotografía del la central mareomotriz, luego su ubicación geográfica a la cual se le adjuntara un mapa, para posteriormente introducción, e información general.

Figura 40 Centrales mareomotrices.

Fuente: Elaboración propia.

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Aquí se puede observar en síntesis las Centrales Mareomotrices existentes.

Fuente: Universidad de Cantabria, Dep. Ing. Eléctrico y Energético

CENTRALES UNDIMOTRICES

Parque Aguzadora Portugal Figura 41 Centrales Undimotrices.

Fuente: Elaboración propia.

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Central del Rance

Figura 42 Central de Rance, Francia.

Ubicación Geográfica La central mareomotriz esta ubica sobre el Río Rance en Francia, cuya cuenca desemboca sobre el Océano Atlántico esta cercana al canal de la Mancha.

Figura 43 Mapa central Rance en Francia

Figura 44 Mapa del lugar central de Rance.

Esta fue la primera central mareomotriz que se implemento en el mundo, su construcción tardo 7 años desde 1960 a1967, consiste en una central de 240 MW ubicada en la desembocadura del río La Rance, posee una diferencia de altura entre mareas de 13,4 m, además de 24 turbinas. En noviembre de 1996, la planta de energía mareomotriz celebró su 30 aniversario de operación, para continuar su operación correctamente durante los próximos 30 años, Electricité de France, decidió planificar una reparación general y preventiva de todo el equipamiento, debido a esto en 1997 reemplazaron las turbinas existentes por turbinas bidireccionales.

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Fuente: Centrales Mareomotrices, Treinta años de Historia, Fernando Hermosilla Villalba, Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Profesor Titular de Universidad E.T.S. de Ingenieros de Montes-2004 Fuente: NUTZUNG DER GEZEITENWELLEN, Dr.-Ing. Kai-Uwe Graw, WELLENENERGIE - eine hydromechanische Analyse-2000 Fuente: Tidal Energy, A. M. Gorlov, Northeastern University, Boston Massachusetts, USA Copyright 2001 doi:10.1006/rwos.2001.0032 Fuente: Departamento de Ingeniería, Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria, Energía de las Olas, Pedro Fernández Díez -2006

Información general La central del Rance es una estructura de las siguientes dimensiones: 750m de largo, 24m de ancho y 27m de alto, 15 metros sobre el nivel medio del mar, y una superficie de 20Km 2 permitido la creación de un embalse de 184 × 10 6 m 3 metros cúbicos, entre pleamar y bajamar, esta es el agua que se puede aprovechar para las mover las turbinas, con una capacidad efectiva entre 0 y 13.5m sobre el nivel del mar, una de las mayores en el mundo, extendiendo el río aguas arriba por cerca de 20 Km. El volumen de agua de mar que puede ingresar al estuario es cercano a los 20.000 m 3 s . Un dique artificial cierra la entrada del río y una esclusa en un extremo mantiene la comunicación con el mar, permite la navegación de pequeños barcos.

Los mecanismos, elementos de la central mareomotriz como: generadores eléctricos, turbinas, talleres de reparación, maquinas auxiliares, salas y habitaciones para el personal, es localizados entre el muro del dique que cierra la entrada del estuario.

Tiene 6 compuertas de 15m de longitud y 10m de altura La planta de energía mareomotriz, contiene 24 turbinas bulbo de 10MW, estas turbinas son axiales y fueron diseñadas para funcionar en los dos sentidos de la marea.

Figura 45 Vista aérea de Central Rance.

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La planta de energía mareomotriz de la Rance estadísticamente presenta los siguientes datos: 140.000 horas de generación, 400.000 visitantes por año, además de 17.000 barcos y botes pasan a través de la esclusa de navegación cada año. Entre 25.000 a 35.000 vehículos pasan cada día por el camino construido sobre el dique.

La energía neta generada a lo largo del año es del orden de 550 GWh, debido a que 500 GWh son en turbinas directas y 50 GWh en turbinas inversas, equivalente a 3 × 10 5 barriles de petróleo, de la que se ha deducido la energía de 65 GWh consumida en el bombeo.

Figura 46 Vista utilizando Google Earth central Rance.

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Central de la bahía de Fundy.

Figura 51 Central Fundy.

Ubicación geográfica Está ubicada en el río Annápolis, en la frontera de EE.UU. y Canadá

Figura 52 Ubicación de central Fundy.

Figura 53 Ubicación central Fundy .

Estación de Generación Anápolis Royal, Canadá. Ésta central fue abierta en el año1984, y contiene una capacidad instalada de 20 MW. Posee una amplitud máxima de la marea puede alcanzar 15m.La altura del dique es de 30,5 m y la longitud de 46,5m.

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El aprovechamiento se consigue con una turbina Straflo, este tipo de turbina tiene mayor rendimiento que la turbina bulbo. En experimentaci贸n desde 1984, con 20MW y consumo de 400 m 3 s .

Fuente: Nova Scotia Power.A Tidal Power Pioneer Adds Wind To Its Renewable Resources-2002

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Central de Kislaya

Figura 47 Mapa de central Kislaya Rusia.

Ubicaci贸n geogr谩fica Se encuentra en el mar de Barentz, Rusia

Figura 48 Mapa de ciudades en Rusia.

Figura 49 Mapa de implementaci贸n.

Kislaya, Guba es un fiordo en la Pen铆nsula de Kola cerca de Murmansk en Rusia. El fiordo se conecta al Mar de Barentz al norte y es principalmente conocido como el sitio de un proyecto de poder de la marea experimental.

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Comenzó a funcionar como planta piloto en el año 1968, siendo la segunda del mundo de esta clase, posee de 1 turbina bulbo de 0,4 MW o 400 kW. La construcción de los módulos de la sala de máquinas y del dique fueron fabricados en tierra y llevados flotando al lugar establecido, esta fue concebida como banco de ensayos para la instalación mareomotriz de Penzhinsk, proyecto que en la actualidad ha sido olvidado en el mundo.

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Como habíamos dicho este proyecto empezó en el año 1968, pero se había suspendido durante un periodo de 10 años, en diciembre del año 2004 reasumieron el proyecto El sitio originalmente fue escogido porque posee un fiordo largo y profundo, el cual tenía una toma de corriente bastante estrecha al mar, que podría represarse fácilmente para el proyecto. Hay planes futuros para dos proyectos más grandes basados en este tipo de generación eléctrica utilizando el mar, el primero cerca de Mezen, en el Mar Blanco y el segundo en Turgur Mar de Okhotsk.

Información general El tipo de marea es semidiurna, con una velocidad de 3,6 m/s, y una amplitud media de 2,4m, en el intervalo de 1,1m y 4m. El embalse posee una superficie de 1,1 Km 2 , tiene dos depresiones de una profundidad de 36 m separadas una de otra por una zona de 3 m de profundidad.

Figura 50 utilizando Google Earth Central Kislaya.

Fuente: Departamento de Ingeniería, Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria, Energía de las Olas, Pedro Fernández Díez -2006 Fuente: Introducción a la Energía del Oleaje, César Vidal Pascual grupo de Ingeniería Oceanográfica y de Costas universidad de Cantabria-2005 Fuente: OTEC & TIDAL ENERGY, PRABUDDHA BANSAL -2005

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Parque de olas Aguzadora.

Figura 54 Parque de olas Aguzadora Portugal.

Ubicación Geográfica Se encuentra ubicada cerca de Póvoa de Varzim. Portugal.

Información General A diferencia de las mostradas anteriormente, la central aguzadora opera en base a la energía undimotriz. Esta granja fue establecida en 2006, y contiene una capacidad de 2.25 MW instalados. Utiliza actualmente 3 unidades generadoras Pelamis P-750 y Si los resultados obtenidos son buenos, se pronostica una expansión a 28 máquinas antes del 2009, generando un total de 525 MW.

Fuente: Departamento de Ingeniería, Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria, Energía de las Olas, Pedro Fernández Díez -2006

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Estaciones mareomotrices en China En general, el potencial de energía marino en China es el siguiente: La Energía de la marea: Los recursos de la marea explotables son 21.8 GW, con un el rendimiento de posible electricidad anual de 62.4TWh. Aproximadamente un 40% por ciento de este potencial se localiza en Fujian y un 47 % localizado en Zhejiang.

La Energía de las olas: Los recursos de la energía de las olas son 12.9 GW, del cuál un tercio está en el Taiwán China tiene los recursos de energía mareomotriz reservada en una extensa área del mar 32,000 Km. de litoral, donde 18,000 Km. pertenece a china continental, y los otros están en las islas 6,500. Los recursos de la marea es estimado en 21.7 GW, principalmente distribuido en Zhejiang y provincias de Fujian.

En el año 2001 había siete estaciones de poder de la marea experimentales pequeñas con una capacidad instalada de 6 MW. La más central importante posee cinco turbinas, con una capacidad total de 3.2MW instalada en la planta llamada Jiangxia en Zhejiang.

China impulsó la instalación de 300 unidades de dispositivos las cuales están en el uso práctico, para utilizarlas como luces para la navegación.

Centrales Mareomotrices de China Nº Nombre Ubicación Capacidad (kW) 1 Jianxia Wenling, Zhejiang 4000 2 Baishakou Rushan, Shandong 960 3 Xinfuyang Pingtan, Fujian 1280 4 Shashan Wenling, Zhejiang 40 5 Yuopu Xiangshan, hejiang 300 6 Haishan Yuhuan,Zhejiang 150 7 Guozhishan Qianzhou,Guangxi 40 8 Liuhe Taicang, Jiangsu 150 9 Ganzhitan Xunde,Guangdong 5000 Total 11920

En la actualidad solo tres son las continúan funcionando estas son Jianxia, Baishakou, Haishan.

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Planta generadora Jiangxia

Figura 55 Vista de Planta Jianxia.

Jiangxia es la estación de poder de la marea más grande en China y la tercera estación de poder de la marea más grande en el mundo que se ha puesto en el funcionamiento.

Su construcción comenzó en el año 1974. El primer generador que se instala es de 500kW empezado su generación en el año 1980. El proyecto se completó en 1985, en un principio se instaló uno generador fijo de 500kW, luego se puso uno de 600kW y finalmente 3 juegos de 700kW, formando en conjunto una capacidad total de 3.2MW. La estación de poder posee un solo depósito y dos funciones con un área en el depósito de 1.58 ×106 m 2 , fue diseñado para generar 10.7 × 10 7 kWh anualmente.

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Figura 56 Planta de Jianxia.

Fuente: Renewable Energy Development in China: The Potential and the Challenges, Zhang Zhengming, Professor, Energy Research Institute Outstanding Member, China Resources Society, Wang Qingyi Vice President, China Energy Research Society Zhuang Xing Associate Professor, Energy Research Institute Dr. Jan Hamrin Executive Director, Center for Resource Solutions Seth Baruch Program anager Center for Resource Solutions-2007 Fuente: China’s New and Renewable Energy Situation by Zhou Jia Ping, Director of general engineer office of Chongqing Energy Conservation Technical Service Center.-2007 Fuente: Relevant ocean energy activities in China, Prof. Zhang Liang, Harbin Engineering University Harbin 150001, China-2006 Fuente: Departamento de Ingeniería, Eléctrica y Energética, Universidad de Cantabria, Energía de las Olas, Pedro Fernández Díez -2006

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Proyectos en Estudio Para concluir este punto, en la actualidad existen las llamadas centrales en estudio como por ejemplo: • • • • • • •

Proyecto de las islas CHAUSEY en la bahía de Saint Michel. Francia.

Central de la bahía de MEZEN, situada en la península de Koka, entre el mar Báltico y el mar de Barentz, Rusia., 17 GW. Central experimental, Golfo del Maine EE.UU., 12 MW. Central de la bahía de TUGUR, situada en el mar de Okhost, 8 GW. Central de la bahía de PENZHINSK, 35 GW. Central del estuario del SEVERN, situada en el estuario del rió Severn, Gran Bretaña, 7,5 GW. Central del GOLFO DE SAN JOSE., en Argentina, 20 GW

Cabe señalar que la generación undimotriz, es la que esta obteniendo el mayor interés en el área de la investigación en el mundo, por las siguientes razones: • • • • •

Alto contenido energético de las olas.

Menores costos en instalación.

Menores de costos de mantención.

Progreso de tecnologías.

Lugares favorables para la instalación de granjas undimotrices.

Es decir hoy existen muchos proyectos mareomotrices, en fase primaria, la mayoría de estos se encuentra realizando pruebas, fases de diseño e implementación; tanto en modelos a escala como a tamaño real.

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Estado del Arte en dispositivos de Generación Clasificación de Dispositivos.

En este punto describiremos en forma breve las tecnologías existentes en el sector de generación de energía mareomotriz, especificando su característica diferenciadora con respecto a otros modelos.

Figura 57 Clasificación de los dispositivos.

Fuente: Elaboración propia.

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Se ha diseñado este mapa conceptual para apreciar los dispositivos existentes en el área de generación eléctrica mediante energía mareomotriz.

Seaflow

Ceflot

Tapchan

Aquabuoy

Pendulor

Salter Duck

Pelamis

Hidroflot

OPT

IPS

Oyster

Archimedes Wave Swing

Wave Dragon

Waveplane

Stingray

Pipo Systems

Wavegen

Tecnología en el sector Mareomotriz y Maremotriz

Smdhydrovision

Rotech Tidal Turbine

Tidal Electric Limited

Greenwave

FO3

Tidal Stream

Kobold

Blue Energy

SMD

owc

DeltaStream

Anaconda

WaveRoller

Mighty Whale

Figura 57b Mapa conceptual dispositivos.

Fuente: Elaboración propia.

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Prototipos Existentes Seaflow El funcionamiento es similar a un aerogenerador eólico, pero en este caso el flujo de la corriente marina hace girar un roto bipala, el cilindro del rotor gira 360° grados alrededor del poste donde esta sujeto para así orientarse en la dirección de la corriente.

Se muestran dos imágenes a continuación la primera con un diámetro de rotor 11 m, y una potencia de 300 kilovatios, en la segunda imagen otro Seaflow con un diámetro de rotor 16 m y una potencia de 2* 500 kw.

Figura 58 Dispositivo Seaflow

Figura 59 Dispositivo Seaflow.

Ceflot Su funcionamiento se basa en crear un horizonte artificial sobre el nivel del mar, de tal forma que los elementos de la periferia se van moviendo según el movimiento de las olas.

Figura 60 Dispositivo Ceflot.

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Tapered Channel (TAPCHAN): Canal Rematado en Punta El concepto de Tapered Channel proviene de una adaptación de la producción de energía hidroeléctrica tradicional es decir: Recoge el agua, la almacena una cantidad de agua determinada y luego hace funcionar una turbina en su salida.

Este dispositivo posee pocas piezas móviles, los sistemas de TAPCHAN tienen costes de mantenimiento bajos y una mayor confiabilidad en su operación.

Tiene un canal en punta que hace que las olas aumenten de amplitud mientras se mueven hacia la cara del acantilado.

La energía cinética de la ola móvil se convierte en energía potencial mientras se almacena al interior de un depósito o reservorio.

El agua almacenada en el depósito, alimenta una turbina Kaplan.

Fuente: www.iberdrola.com Figura 62 dispositivo tapchan.

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AquaBouy-Aqua Energy Group Es un sistema que aprovecha el movimiento ascendente y descendente de una boya para bombear agua a una turbina, que esta situada en la parte superior de la boya.

Figura

63 Dispositivo Aquabuoy

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Pendulor El dispositivo Pendulor consiste en una caja de forma rectangular, que está abierta al mar en uno de sus extremos.

En la cara que esta directa al mar, tiene un plano gira pendularmente sobre esta abertura, de modo que la acción de las olas la produce un movimiento hacia delante y hacia atrás.

Este movimiento entonces se utiliza para accionar una bomba hidráulica y un generador.

En el mundo solamente se han desplegado dispositivos pequeños.

Figura 64 Dispositivos Pendulor.

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Fuente: Mercados ElĂŠctricos PUC. Fuente: www.iberdrola.com

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Salter Duck: Pato Salter Esta tecnolog铆a esta registrada pero no se ha llevado a la pr谩ctica, es un dispositivo que flota en la superficie del mar o por debajo del mar, esta anclado al fondo del mar por un sistema de atadura apretado o enervado.

Posee unos flotadores que giran bajo la acci贸n de las olas alrededor de un eje cuyo movimiento de rotaci贸n acciona una bomba de aceite la cual se encarga de mover una turbina

Figura 65 Dispositivo SalterDuck.

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Pelamis Es una de las tecnologías más maduras, consiste en una serie de secciones cilíndricas a medio sumergir, ligadas por articulaciones con bisagras.

La energía se crea utilizando el movimiento en las articulaciones, para sostenerlo en su lugar posee un sistema de anclaje en sus extremos.

El movimiento relativo inducido por la ola en estas secciones es resistido por unos arietes hidráulicos que bombean el aceite de alta presión a través de bombas hidráulicas, que alimentan un depósito a presión, este fluido actúa sobre un generador electro hidráulico La energía de todas las articulaciones se concentra en un solo cable céntrico el cual esta unido a otro en el fondo del mar.

Varios dispositivos Pelamis se pueden conectar juntos y llegar a la orilla a través de un solo cable submarino.

Su significado es serpiente marina, en griego.

Es una estructura semi-sumergida, compuesta por varias secciones cilíndricas que se unen entre sí, articuladas, a través de unas junturas que son la clave del ingenio. Y es que el movimiento inducido por las olas en esas articulaciones o junturas se traduce en un bombeo de aceite a alta presión hasta motores hidráulicos que a su vez actúan sobre generadores eléctricos. Ocean Power Delivery, la empresa promotora del Pelamis, ha invertido 7,5 millones de euros entre 2002 y 2004 en su desarrollo. .

Figura 66a Dispositivos Pelamis Fuente: www.iberdrola.com

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Figura 66b Dispositivos Pelamis Fuente: www.iberdrola.com

Hidroflot Hidroflot es el nombre del dispositivo de la empresa española HIDROFLOT S.L, dedicada al diseño y promoción de Centrales de Energía Eléctrica, renovable no convencional (ERN) Consiste en varios flotadores concentrados en una misma estructura, para así incrementar la fuerza que ocasiona cada uno de ellos Permite recolectar el empuje de cada una de las unidades de flotadores, para concentrar en una salida común todo el empuje mecánico y permitir a los generadores alcanzar la máxima potencia eléctrica de salida.

Figura 66c Dispositivo Hidroflot

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Figura 66d Dispositivo Hidroflot

Ocean Power Technologies: OPT Su funcionamiento se basa en comprimir aceite a través del movimiento pendular y vertical producido por el movimiento de las olas sobre la una boya.

El aceite acciona un motor hidráulico que mueve un generador eléctrico.

Figura 67 Dispositivos OPT.

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IPS Este tipo de boya puede ser de forma circular u ovalada, además debe poseer un diámetro y peso adaptados a la situación predominante de la ola en el lugar geográfico donde se instale.

La boya es sustentada por una atadura elástica que le permite moverse libremente vertical es decir, hacia arriba y hacia abajo, este movimiento lo hace contra una masa del agua contenida en el tubo vertical largo, este tubo se encuentra por debajo de la boya y se le llama tubo de aceleración.

El movimiento relativo entre la boya y la masa del agua es transferido por un pistón de trabajo en el tubo de aceleración a un sistema de conversión de la energía el cual esta ubicado dentro del casco de la boya.

Las boyas se pueden ordenar en grupos a partir de las 5 unidades, cada boya tiene un diámetro de 3m a 4 m, este es el caso de las más pequeñas y las más grandes son hasta 10m a 12 m de diámetro.

Figura 68 dispositivos IPS. Fuente: www.iberdrola.com

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Oyster.

Es uno de los dispositivos más representativos de los que trabajan con un movimiento de rotación, tiene un modulo anclado al fondo del mar, este al oscilar acciona pistones; a su vez entregan agua de mar presurizada a una unidad de transformación hidroeléctrica terrestre. El agua a presión es el fluido de trabajo de unas turbinas similares a las de los generadores de energía hidroeléctrica convencionales, este sistema es del tipo sumergido situado cerca del borde costero.

Figura 69 dispositivo Oyster.

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AWS - Archimedes Wave Swing Es una cámara grande de aire presurizada instalada sobre el fondo del mar, tiene una sección superior a la cámara de aire que se mueve continuamente hacia arriba y hacia abajo, mientras que la parte inferior llamado el sótano, permanece en una posición fija.

El dispositivo AWS (Oscilador de ola tipo Arquímedes) esta totalmente sumergido en el mar y no usa la ola superficial para la generación de energía, lo que utiliza es la variación periódica de la presión que produce una ola bajo la superficie del mar, al comenzar esta variación de presiones se inicia el movimiento de la parte superior, el cual produce energía eléctrica a través de un generador lineal. Como este dispositivo se encuentra bajo la superficie del mar no necesita hacer frente a los extremos causados por las tormentas superficiales, existe una planta piloto en la costa de Portugal.

Inventado por Fred Gardner (Teamwork Technology) en 1994, el sistema AWS es un ingenio sumergido y anclado al fondo que se expande y contrae en respuesta a la presión producida por el paso de las olas. Puede ser instalado incluso a varios centenares de metros de profundidad. Un prototipo de escala 1:50 fue testado en Hydraulics and Maritime Research Centre de la Universidad de Cork. También ha sido probada una planta a escala real en octubre de 2004 en el norte de Portugal. El siguiente ingenio ya está siendo desarrollado. Será un AWS de cinco o seis megavatios.

Figura 69b dispositivos AWS. Fuente: www.iberdrola.com

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Figura 69b dispositivos AWS. Fuente: www.iberdrola.com

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Wave Dragon Es un dispositivo flotador de gran tamaño, diseñado para capturar y concentrar olas.

Las olas suben una rampa hacia un depósito elevado mediante unos brazos que posee plataforma, es en este lugar donde el agua recogida hará girar las turbinas instaladas, esta rotación genera la electricidad.

Las dimensiones de esta construcción alcanzan los 250 metros, está compuesta por dos brazos de 126 metros, pesa más de 150 toneladas. Deben ser muy resistentes a los impactos de las olas.

Es básicamente una plataforma flotante anclada en alta mar, cuya profundidad idónea es más de 40 metros.

Consta de dos largos brazos que conducen la ola hasta una rampa que se va estrechando (ese estrechamiento incrementa el peso de la ola). Desde la rampa el agua accede a un depósito del que saldrá por las correspondientes turbinas. Un prototipo de 247 toneladas (escala 1:4,5) está siendo evaluado actualmente en un fiordo de Nissum Bredning (Dinamarca). Es único en su género, pues no hay otro en todo el mundo que emplee la fuerza del agua directamente en la turbina. Su desarrollo ha costado 8 millones de euros. La empresa tiene previsto producir en el bienio 2006-07 unidades de entre 4 y 10 megavatios.

Figura 70 dispositivos Wave Dragon.

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Waveplane Cuando las olas superar el nivel de la estructura el agua entra en un deposito que al desaguar hace girar una turbina hidrรกulica.

Figura 71 dispositivos Waveplane.

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Stingray Consiste en un plano horizontal, que varía su ángulo de inclinación con respecto a la base, esta variación es producida por las corrientes marinas, de esta forma se obtiene un movimiento ascendente y descendente.

La instalación de una unidad prototipo se localizo en Shetland Escocia en septiembre del 2002, con una potencia de 150 kw a 2 m/s, el potencial aprovechable en las islas shetland es 140 MW a 2m/s, a esto se le debe sumar otra unidad demostrativa que fue instalada en junio del 2005 con una potencia de 500 kw a 2m/s Este generador, se sitúa en el fondo marino, mediante una base metálica suficientemente estable, siendo su principio de funcionamiento el cambio de ángulo de ataque de un perfil hidrodinámico.

Este cambio de ángulo de ataque, provoca en el perfil un movimiento oscilatorio, que se transmite por medio de dos brazos metálicos a bombas neumáticas, conectadas a generadores eléctricos, que a su vez transmiten la corriente generada mediante emisarios submarinos.

Este generador en pruebas se ha dimensionado para obtener una potencia de 150 Kw. con una velocidad de corriente inferior, resultados en cuanto al mantenimiento y fiabilidad todavía no son públicos.

Figura 72 dispositivos Stingray.

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Pipo Systems Esta tecnología patentada el año 2004 por la empresa Pipo Systems S.L., utiliza dos métodos para producir energía eléctrica en forma conjunta: movimiento vertical del as boyas y columna de agua oscilante.

El movimiento relativo entre la boya, además de tres cuerpos flotantes situados alrededor de la boya se trasmite a la columna de agua oscilante.

Figura 73 dispositivos Pipo Systems.

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Marine Current Turbines La empresa comenzó a desarrollar un molino submarino (Seaflow, 300 kilovatios) en 1999. Tras dos años sumergido a tres kilómetros de las playas de Lynmouth (Reino Unido), Seaflow es el ingenio de aprovechamiento de las corrientes marinas que más tiempo ha permanecido operando en condiciones reales en todo el mundo. La compañía quiere ahora desarrollar otro prototipo de 1 MW. Podría comercializarlo en 2007 (su objetivo es tener instalados 300 MW en 2010).

Figura 74 dispositivos Marine Current Turbines.

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Wavegen Empresa impulsora de la tecnología denominada Columna de Agua Oscilante (CAO): (OWC) ,la ola penetra por un orificio, comprime el aire allí contenido y este hace mover las turbinas.

Wavegen puede presumir de ser la firma que más tiempo ha empleado en la evaluación del comportamiento de un ingenio “onshore” (en la costa). Durante cuatro años ha testado una CAO en condiciones reales en Islay (Inglaterra). ¿Su ventaja? Aprovecha las olas en la misma línea de costa, con lo que no hacen falta operaciones especiales para efectuar el mantenimiento de la instalación. El proyecto más ambicioso que ahora se plantea Wavegen es la instalación de una CAO en el interior de unos túneles practicados en la parte submarina de un acantilado de las islas Feroe (Dinamarca).

Figura 75 DispositivosWavegen.

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Smdhydrovision Tidel Proyect Son dos turbinas flotantes pero sumergidas (invisibles desde el exterior) que están ancladas a una especie de marco que se asienta sobre el lecho marino (según la empresa, este ingenio puede ser instalado a cualquier profundidad sin incremento de coste). Un prototipo a escala 1:10, en parte financiado por el gobierno británico, ha completado exitosamente un programa de pruebas de siete semanas en el New and Renewable Energy Centre de Blyth (Inglaterra).

Figura 76 dispositivos STP.

Rotech Tidal Turbine Se trata de una especie de cubo en el seno del cual se hallan ubicadas las aspas de la turbina.

Instalado en los lechos marinos, explota las corrientes (el tubo captura la corriente y acelera su flujo a través de un canal estrechado (hasta la turbina). Un prototipo a escala 1:20 ha sido evaluado ya en el Centro de Hidrodinámica de Glasgow University.

La idea de esta generador se basa en la utilización de las actuales turbinas hidroeléctricas, utilizando unas toberas convergentes-divergentes para optimizar el rendimiento. Esta turbina esta apoyada sobre el fondo marino. El prototipo actual tiene una capacidad de generación de 1MW. Por ahora se trata solo de un prototipo que será instalado en el año 2008 en las costas Británicas, aunque se prevé que estos dispositivos se instalen formando granjas marinas para la producción de energía electricidad, pudiéndose elevar el tamaño del generador hasta alcanzar los 2 MW. La tobera introducida aumenta la velocidad de la corriente y mejora la eficiencia debido a que se consigue un ángulo de ataque optimo de la pala. La tobera, según los estudios realizados puede conseguir doblar la energía obtenible.

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Figura 78 dispositivos RTT.

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Tidal Electric Limited Consiste en una especie de laguna artificial que se sitúa, cerca de la costa, en aguas someras, preferentemente estuarios. Aprovecha la marea alta para llenarse, atrapa el agua en esa especie de laguna artificial y luego la suelta cuando la marea está baja a través de las turbinas que se hallan en las paredes de la laguna. Hay varios proyectos en Gales: Swansea Bay (entre 30 y 60 MW, en un área de laguna de cinco kilómetros cuadrados a una distancia de una milla de la costa), Fifoots Point (30 MW) y uno en China, de 300 MW, que está llamado a convertirse en el más grande aprovechamiento de la energía de las mareas del mundo, puesto que desde 1967 ostenta la central francesa de La Rance, de 240 MW.

Figura 79 dispositivos TEL.

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Greenwave Sistema OWC desarrollado por Energetech para aguas poco profundas. Incorpora un muro parab贸lico que concentra en su foco las olas con lo que pueden alcanzar una altura 2,5-3 veces superior. Han desarrollado una turbina de palas orientables (Denniss-Auld) para transformar el flujo ascendente y descendente en giro unidireccional.

Figura 80 dispositivos Greenwave.

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FO3- Fred Olsen Buldra Se trata de una plataforma flotante ligera y estable de fibra de vidrio reforzado que monta un número variable de boyas. La extracción de energía se realiza mediante cilindros y motores hidráulicos.

Prestaciones técnicas (escala 1:1) • Plataforma de 21 boyas • Potencia = 1,5 – 2,5 MW • Dimensiones = 33x33x25 m (calado= 12 m) • Peso = 315 toneladas • Profundidad > 40-50m • Proyectos Karmoy • Presupuesto = 15 M€.

• 4 convertidores.

Wave Hub • Instalación 2010.

• Potencia: 2,5 MW

Figura 81 dispositivos FO3

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Tidal Stream El molino sumergido, la concepción de este dispositivo, proviene del diseño de aerogeneradores en tierra y consta de un molino sumergido a una cierta profundidad y fijado a un pilar central el cual esta fondeado al suelo marino. De este diseño existen varios modelos, algunos varían en diseño, numero de hélices o el tipo de fondeo (Monopile, Jacket, Tension Leg, etc) Estos molinos sumergidos poseen hélices de 15 a 20 m de diámetro acopladas directamente a un engranaje multiplicador que mueve un generador eléctrico, con una potencia unitaria estimada de 500 a 1000 Kw, pudiéndose agrupar en conjuntos de 10 a 20 unidades. Los principales problemas detectados en este modelo son los causados por la cavitación en puntas, el mantenimiento que requiere un buque auxiliar y la extracción del conjunto hélice y generador. Existen dos empresas que desarrollan este tipo de molinos como son SwanTurbines y Tidal Stream. Esta última empresa ha desarrollado modelos flotantes de turbinas sumergidas que permitirían, en grupo de cuatro hélices, llegar a 4 Mw. La operación y mantenimiento de esta última versión es altamente eficaz, siendo orientable a las corrientes, fácilmente instalable y con un mantenimiento en superficie fácil. Las siguientes imágenes muestran estos generadores flotantes y la posición de flotación y mantenimiento.

Figura 82a Dispositivo TS.

Figura 82b Mantenimiento Generador Tidal Stream

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Kobold Turbine Generator La idea de este generador es aprovechar la geometría de los propulsores para desarrollar un generador que pueda extraer energía de las corrientes submarinas mediante unas palas verticales.

La ventaja de los generadores verticales radica en la simplicidad de su construcción y la adaptabilidad a los cambios de dirección de corriente.

Existe una instalación en el estrecho de Messina desde Junio del 2001 que esta demostrando su perfecta operatividad. Este dispositivo ha alcanzado un rendimiento del 23 %. Los estudios demuestran que estos rendimientos podrán ser incrementados hasta el 54%. El prototipo tiene una potencia de diseño de 100 Kw. con una superficie de 30 m2.

Figura 83 dispositivos KTG.

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Blue Energy Ocean Turbina Con una construcción que asemeja a toberas convergentes-divergentes, lo que le permite acelerar la corriente y optimizar el rendimiento Estos generadores poseen la ventaja de ser estructuras flotantes y que conservan la parte eléctrica accesible para el mantenimiento. Además tienen una gran versatilidad en la instalación pudiéndose instalar en ríos, mediante fondeo cerca de la costa o formando barreras que pegadas a la costa suponen una buena solución para el problema de llevar la electricidad a tierra.

Existen pequeños generadores prototipo de 250 Kw., aunque un construcción en forma de Barrera de mareas podría generar, acoplando varios de estos dispositivos potencias de 7 a 14 MW.

Figura 84 dispositivos BEOT.

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SMD Hydrovision SMD Hydrovision ha desarrollado un modelo de extracción de energía de las corrientes generadas por las mareas. El SMD consiste en un par de hélices contrarotatorias de 500 Kw., montadas en una viga transversal. El modelo completo flota y esta fijado mediante un sistema de cadenas. El sistema de anclaje permite a las hélices alinearse de forma automática al flujo dominante de corriente de la marea. La ventaja de este sistema es que no necesita una estructura soporte y puede ser instalado en fondos de mayor profundidad.

En la actualidad se ha instalado un modelo de escala 10:1. Se prevé instalar un modelo a escala real con una palas orientables de 15 metros de diámetro. En este modelo el generador estará alojado dentro de un generador.

Figura 85 dispositivos SMD.

141

OWC: Columna de Agua Oscilante Este Dispositivo posee dos fases, las cuales utiliza para mover una turbina.

Una de las principales características de esta tecnología es que la turbina gira en un único sentido independiente del sentido del flujo de aire que ingrese.

Fase 1: Cuando el nivel del agua sube, por efecto de las olas, el aire que se encuentra en una cámara de aire, es forzado a moverse hacia arriba a través de una turbina que gira e impulsa el generador.

Fase 2: Al descender el agua al mar, el aire es succionado de vuelta de la atmósfera para llenar el vacío producido dentro de la cámara de aire, cuando esto sucede el generador es nuevamente activado.

Existen otros prototipos que otras empresas han diseñado con otras estructuras para aumentar la eficiencia, por ejemplo: LIMPET 500, que esta utilizando en la isla de Islay, Escocia, el dispositivo de la compañía australiana ENERGETECH.

Figura 61a dispositivo Energetech.

Fuente: www.iberdrola.com

142

DeltaStream El dispositivo DeltaStream es una unidad 1MW nominal que se asienta en el fondo del mar sin necesidad de un sistema positivo de anclaje y genera electricidad de tres turbinas separadas de eje horizontal montadas sobre una estructura común.

La tecnología ha sido validada en pruebas marinas y simulaciones realizadas por la Universidad de Cardiff y está sometiéndose a un detallado trabajo de diseño en la Universidad de Cranfield, con el respaldo de Carbon Connections UK Limited.

Figura 61b dispositivo DeltaStream

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Anaconda Esta compuesta de goma y se coloca en la superficie marina para generar energía a partir de las olas del mar. La maquinaria funciona como una arteria humana, haciendo circular la masa líquida a lo largo de su interior hasta alcanzar una turbina posicionada en su cola, la cual es la encargada de generar la energía final.

En contraposición a los complejos mecanismos utilizados actualmente, la anaconda gana no sólo en simplicidad, sino que también en resistencia, al estar compuesta de goma no es tan vulnerable al mar y está diseñada para tener larga duración temporal.

Actualmente esta máquina está funcionando en calidad de prototipo, mide nueve metros y funciona de forma óptima, y sus desarrolladores afirman que pueden construirse anacondas marinas de hasta doscientos metros si la demanda así lo requiere.

Figura 61c dispositivo Anaconda.

144

WaveRoller El dispositivo WaveRoller es una placa amarrada 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.

Figura 61D dispositivo WaveRoller.

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Mighty Whale Desde 1987, se desarrolla un dispositivo flotante conocido como Mighty Whale, 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 dispositivo 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.

Figura 61E dispositivo Mighty Whale.

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Fuentes: IBERDROLA ENERGÍAS RENOVABLES, Energía Marina-2007 Tecnologías Emergentes del Mar, Robotiker-Tecnalia-2005 Renewable Energy Ethical Investment Blue Energy -2007 BWEA - Marine Devices-2007 Hydro Power-2007 Tide-moving and solar power-2007 GENERACIÓN MAREOMOTRIZ, IEE-3372 Mercados Eléctricos PUC-2007 Hugh Rudnick, Apuntes de Clases Mercados Eléctricos, primer semestre PUC-2007 E2I EPRI Assessment, Offshore Wave Energy Conversion Devices-2007 Status and Research and Development Priorities 2003, Wave and Marine Current Energy, International Energy Agency (IEA) Máquinas Hidráulicas: Energías Renovables Ing. Hca. Paola Bianucci, Capítulo 1: Energías del Mar Año 2002 Conference on Future Energy report tells of Martin Burger's presentation on Sept. 23, 3006. (PESN; Sept. 26, 2006) Blue Energy - PESWiki-2007 Wikipedia: Wave power-2008 Energy Resources: Wave power-2007 Directory Ocean Wave Energy - PESWiki-2008 Directory Tidal Power - PESWiki-2008 La energía del mar Primera parte: La energía de las olas, Sergio Corp. (CUBAENERGIA) 2007 http://www.wavegen.com http://www.wavedragon.net http://www.ecofys.nl http://www.sperboy.com http://www.marineturbines.com http://www.oceanpd.com http://www.oceanpowertechnologies.com http://aquaenergygroup.com http://bluenergy.com/contact.html http://www.smdhydrovision.com http://www.engb.com/

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Dispositivos de Columna Oscilante de agua, Oscillating Water Column (OWCs) Existen variadas modalidades de OWCs que permiten obtener la energía del oleaje, es importante destacar que aún no esta claro cuales son los dispositivos más favorables.

El aprovechamiento de la energía de las olas, se realiza en base a algunas de las siguientes metodologías como lo ilustra el siguiente mapa conceptual.

CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES OWCs

CONVERSIÓN PRIMARIA

CONVERSIÓN SECUNDARIA

Figura 86 Clasificación de los OWC. Fuente: Elaboración propia.

Conversión Primaria Comprende la extracción de la energía de las olas mediante sistemas mecánicos o neumáticos, produciendo una conversión de movimientos, el movimiento de las olas, es convertido en movimiento de un elemento (cuerpo) o en un flujo de aire. Esta energía del oleaje en algunos casos se puede aprovechar para originar movimientos en forma, vertical, y o rotacional. Este tipo de movimiento es utilizable comúnmente en aguas relativamente profundas. Para aguas poco profundas se aprovechan los movimientos horizontales del oleaje mediante flotadores o estructuras fijas.

La oscilación del agua a causa del oleaje, al interior de una estructura semi sumergida, se puede utilizar en sistemas mecánicos o neumáticos, también se utiliza la variación (delta) de la presión causado por el oleaje, por debajo de la superficie del agua, en otros casos como el de las boyas de navegación, se combinan los efectos de resonancia en el tubo con el movimiento vertical (ascendente y descendentes), entregando un rendimiento energético superior. En los dispositivos fijos, específicamente los modelos que poseen una abertura inferior en el tubo, orientada en la dirección de propagación de la ola, la energía se aprovecha, utilizando la presión total de la ola, esto produce aproximadamente el doble de energía que el caso anterior.

148

149

Conversión Secundaria

Básicamente consiste en la conversión de movimientos mecánicos o neumáticos, en formas de energía utilizables, generalmente electricidad, los medios de transformación utilizados son turbinas neumáticas e hidráulicas, dispositivos de transmisión mecánica, y de inducción magnética, en algunos casos el sistema se diseña exclusivamente para la desalinización del agua de mar.

POSICIÓN RELATIVA A LA COSTA

CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN

CARACTERIZACIÓN DE LOS OWCs

POSICIÓN RELATIVA A LA DIRECCIÓN DEL OLEAJE

POSICIÓN RELATIVA AL NIVEL DEL AGUA

OTROS CRITERIOS

Figura 87 Caracterización de los OWC. Fuente: Elaboración propia.

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Posición Relativa a la Costa Los OWCs se instalan cerca del litoral o en altamar.

Capacidad de Producción Los OWCs pueden variar sus dimensiones, con relación a la posición relativa a la costa en grandes, medianos o pequeños.

Posición Relativa a la dirección del oleaje Estos se clasifican en tres subcategorías la primera Totalizadores o Terminadores y la segunda en Atenuadores y finalmente la tercera Absorbedores Puntuales Totalizadores o Terminadores Largos con eje paralelo al frente del oleaje.

Atenuadores Largos con eje perpendicular al frente del oleaje Absorbedores Puntuales Aislados de dimensiones reducidas, su efecto principal es la concentración y convergencia del oleaje a un punto focal.

Posición Relativa al Nivel del Agua Donde su estructura se encuentra sumergida, semisumergida o flotando.

Otros Criterios En este punto comprende otros factores como, simetría, capacidad de almacenamiento de energía, resistencia (supervivencia) a tormentas, impacto visual y medio ambiental, complejidad de la tecnología instalada, materiales usados en la construcción, eficiencia, técnicas de mantenimiento del equipo y posibilidad de construcción modular (ensamblado).

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Métodos de Transformación de la Energía Undimotriz TÉCNICAS DE TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA UNDIMOTRIZ

EMPUJE DE OLA

VARIACIÓN DE ALTURA

VARIACIÓN DE LA PRESIÓN

Figura 88 Métodos de transformación de energía.

Fuente: Elaboración propia.

Empuje de la ola Utilizable en aguas poco profundas la velocidad horizontal (energía cinética) que posee una ola no varia con la profundidad, debido a esto la energía de las olas se puede absorber mediante un obstáculo que transmitirá la energía a un pistón.

Variación de altura Este punto se refiere específicamente a la variación de la altura en la superficie de la ola, empleando estructuras de tipo flotantes, que se muevan de forma solidaria con las olas, en fase de manera que puedan capturar la energía, son de dimensiones pequeñas en comparación a otros modelos, esto permite su fabricación en serie. La mayoría de estos aparatos utilizan el efecto bombeo que proporciona un flotador. Las desventajas derivan especialmente de la energía potencial de una ola y de la interconexión al sistema eléctrico, ya que algunos se sitúan a una distancia considerable de la costa.

Variación de presión Este punto se refiere específicamente a la variación de la presión bajo la superficie de la ola, el sistema consiste en una cámara abierta a la mar, también llamada cámara de aire, la cual encierra un volumen de aire que se comprime y expande por la oscilación del agua inducida por el oleaje dentro de esta estructura, el aire circula a través de un tubo donde al final de este se encuentra una turbina que en algunos casos puede ser bidireccional, se clasifican en dos subgrupos en sistemas activos y sistemas pasivos.

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Sistemas activos Son aquellos que disponen de piezas, elementos móviles, que interactúan entre si y reaccionan a impulsos del oleaje, generan energía aprovechando el movimiento relativo entre sus partes fijas y sus elementos móviles. .

Sistemas pasivos Son aquellos en los que la estructura permanece inmóvil, generándose energía directamente, a partir del propio movimiento de agua.

Técnicas para transformar la energía undimotriz Estos dispositivos utilizan los fenómenos básicos que se producen en una ola.

Empuje de la ola En aguas poco profundas la velocidad horizontal de las olas no varía con la profundidad; la energía de las olas se puede absorber mediante un obstáculo que transmite la energía a un pistón.

Figura 89 Método de empuje de ola.

Variación de la altura de la superficie de la ola Situando estructuras flotantes que se mueven con las olas, sintonizadas de manera que puedan captar su energía. Se dispone de un gran número de los mismos para capturar la energía.

153

Figura 90 Método de variación de altura.

Variación de la presión bajo la superficie de la ola Son los sistemas O.W.C , columna de agua oscilante ; consisten en una cámara abierta al mar, que encierra un volumen de aire que se comprime y expande por la oscilación del agua inducida por el oleaje, el aire circula través de una turbina que puede ser bidireccional.

Figura 91 Método de cavidad resonante.

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Viabilidad Legislativa En este punto, es preciso definir que en Chile existen dos leyes y un decreto supremo que en forma directa o indirecta, crean un marco regulatorio para esta materia energética, por lo que es necesario conocer sus implicaciones.

En el siguiente cuadro conceptual se pueden apreciar estas regulaciones en generadores de energías renovables

Figura 91b Cambios regulatorios.

Fuente: Elaboración propia.

Ley 20.018 La Ley 20.018 [LCL 1, 2005] publicada el día 19 de Mayo del año 2005, instaura un nuevo mecanismo para respaldar la instalación de generación eléctrica con energías renovables.

En el artículo 1 número 4, el cual intercala el artículo 96 de la Ley General de Servicios Eléctricos, se establece que sin perjuicio del derecho a ofertar en las licitaciones de energía eléctrica, los propietarios de medios de generación de energía eléctrica no convencional tendrán derecho a suministrar a los concesionarios de distribución, hasta el 5% del total de la demanda destinada a clientes regulados.

Ley 19.940 La Ley 19.940 [LCL, 2000] publicada el día 13 de Marzo del año 2004, hace modificaciones puntuales a la Ley General de Servicios Eléctricos (LGSE), implantando condiciones más beneficiosas para el desarrollo de los pequeños medios de generación donde se incluyen los medios de generación eléctrica con energías renovables. Esta ley modifica dos artículos de la LGSE referentes a las energías renovables.

• •

El artículo 1 de la ley 19.940 incorpora el artículo 71-7 a la LGSE El artículo 4° número 13 modifica el artículo 91 de la LGSE.

155

En el artículo 71-7 de la LGSE se definen los generadores de energías no convencionales, como todos aquellos cuya energía provenga de la energía geotérmica, eólica, solar, biomasa, mareomotriz, pequeñas centrales hidroeléctricas, cogeneración u otras similares determinadas fundadamente por la comisión.

Esta ley consiente en abrir el mercado eléctrico para los generadores de energías no convencionales (ENC), permitiéndole vender su energía al costo marginal instantáneo, asegurándole la conexión a las redes de distribución y liberando el pago de peajes en el sistema troncal. También se instaura que las energías no convencionales de potencia inferior a 20MW están exentas del pago total o parcial de peaje troncal; si la potencia inyectada es inferior a 9MW el peaje será nulo, por otro lado si la potencia inyectada es superior a 9MW e inferior a 20MW, el generador deberá pagar peaje por la proporción sobre 11MW en que se excede de los 9MW. Por ultimo se establece que en el caso de que el total de la capacidad conjunta de generación con energías no convencionales excede el 5% de la capacidad instalada total del sistema, todos los propietarios de generadores de energía no convencional deberán pagar la proporción del peaje en que se sobrepasa el 5%.

En el artículo 91 de la LGSE se establece que las empresas distribuidoras están obligadas a conectar a los generadores cuya potencia no supere los 9MW, siendo las obras de ampliación necesarias, ejecutadas por los propietarios de éstas y los costos de éstas de cargo del generador.

Además le entrega el derecho a todo generador conectado en paralelo con el sistema eléctrico, a vender la energía evacuada al sistema a costo marginal y sus excedentes de potencia a precio de nudo de la potencia. Esto asegura la conexión de los generadores de energías no convencionales y la igualdad de condiciones entre los generadores para la entrada al mercado eléctrico de los pequeños medios de generación.

Decreto supremo Nº 244 Reglamento para Medios de Generación No Convencional y Pequeños Medios de Generación, promulgado el día 02 de Septiembre del año 2005 desarrolla y ejecuta las disposiciones señaladas en las leyes explicadas en los incisos anteriores.

Este decreto crea una clasificación según tamaño y punto de conexión a las unidades de generación eléctricas.

•

PMGD-Pequeños medios de generación distribuida Medios de generación cuyos excedente de potencia sean menores o iguales a 9MW, conectados a instalaciones de una empresa concesionaria de distribución, o a instalaciones de una empresa que posea líneas de distribución de energía eléctrica que utilicen bienes nacionales de uso público.

•

PMG-Pequeños medios de generación

156

Medios de generación cuyos excedentes de potencia suministrables al sistema sean menores o iguales a 9MW conectados a instalaciones pertenecientes a un sistema troncal, subtransmisión o adicional.

•

MGNC-Medios de generación no convencionales Medios de generación cuya fuente sea no convencional y sus excedentes de potencia suministrada al sistema sean inferiores a 20MW. La categoría de MGNC, no es excluyente con las categorías indicadas en los literales precedentes.

157

CAPÍTULO 4 DISEÑO DE LA SOLUCION Consideraciones para el diseño.

El diseño sistema de boya La Lógica de Diseño del sistema El plan estructural del diseño de una boya puede definirse con especificaciones racionales para la configuración del sistema y sus componentes. Estas especificaciones normalmente son la función, propósito y exigencias del diseño. Los propósitos del sistema, la misión: que hará, dónde, cuándo para cuánto tiempo y por qué razones. Los requisitos de los sistemas (la estabilidad, la carga, la vida útil) y las exigencias medioambientales (los estados del mar, presión, la corrosión, etc.) estos deben ser formulados. Los requisitos del sistema definirán las cargas mecánicas en los componentes de la estructura. También debe incorporarse los requisitos para las áreas logísticas (el despliegue, servicio, y recuperación) evaluando los factores en contra como: límites del presupuesto y el apoyo disponible. Cuando el diseño es aceptable, el plan se finaliza y un prototipo se construye.

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En la siguiente figura se muestra un diagrama con las fases usualmente seguidas en el diseño de un sistema de boya. ¿Que hará? ¿Donde? ¿Cuando? ¿Para cuanto tiempo?

Las exigencias medioambientales El estado del mar La Fuerza del viento, Presión Ataque biológico El material La deterioración

Las especificaciones del sistema Las tolerancias La estabilidad La carga La vida útil El desempeño

La selección de clase del sistema Flotante Sumergido Singular Múltiple

Presupuestar las exigencias

La definición de sistema Las cargas estructurales y mecánicas

El diseño preliminar del sistema Los cómputos detallados La selección de los componentes Los dibujos conceptuales

El análisis del costo

Las necesidades logísticas

Soporte de logística

Diseño final Chequear el cómputo Los dibujos detallados

Prototipo

Figura 91c Consideraciones para el diseño.

Fuente: Elaboración propia.

159

Las Fuerzas externas para Considerar en el Diseño de la Boya Cuando están ancladas en el ambiente oceanográfico, la superficie de la boya esta sujeta a la acción del viento, acción de las olas, las corrientes oceánicas, y a veces los hielos, es decir escarchas sobre la superficie de la boya. Las boyas de superficie deben resistirse una presión hidrostática considerable. Además es de recordar que están sometida a cargas severas durante el despliegue y recuperación. Es imprescindible establecer una revisión breve de estas exigencias medioambientales y operacionales como también su incidencia en el diseño de casco, armazón y flotador de la boya.

Acción del viento El viento causa un arrastre adicional de la boya. El resultado a la resistencia del viento en la boya provoca tensiones en la superestructura de la boya (el mástil, torre, etc.). También introduce un momento de volcando.

Acción de la Ola. La acción de la ola produce tres movimientos básicos giro xyx, levantar z, y mover x, y es de severa importancia evitar el volcado de la boya en la práctica. A menudo es aceptable una cantidad de giro y levantamiento que la boya puede experimentar cuando es excitada por una ola particular (ola significante en tamaño).

Existen los períodos naturales de giro y levantamiento, también elementos humedecidos, las distribuciones de masa deben ajustarse para equilibrar las especificaciones del diseño.

La acción de la ola también introduce, como previamente discutió: arrastre, fuerzas inerciales debido a las velocidades que tienen las partículas del agua además de su aceleración. Estas fuerzas deben ser consideradas al diseñar el casco de la boya y el amarre, atadura. En la boya el diseño estructural debe permitir tensiones debido a olas que chocan en el casco. También debe considerar las fuerzas inerciales que son el resultado de la aceleración angular, sobre todo en los componentes lejos del centro de giro. Finalmente, fatiga y corrosión debido al movimiento de la ola y rociada de agua debe tenerse en cuenta en el diseño de la boya.

Las Corrientes oceánicas La fuerza de resistencia hidrodinámica debido a corrientes que pasan por la boya y su momento resultante debe ser considerada al diseñar los cascos de la boya y la atadura como también el amarre a fondo.

160

Hielo y escarchas. (Heladas) Hielo que cubre las superficies y la estructura de la boya causarán un cambio ascendente del centro de gravedad de la boya también llamado centro de masa. Esto disminuirá el momento de inercia y cambiará la respuesta de la boya en giro y levantamiento. El área de la estructura aumenta produciendo que el viento arrastre la boya finalmente provoca el volcado.

El hielo es otra consideración del diseño que por ningún motivo se debe pasar por alto.

La Presión hidrostática.

Las tensiones estructurales debido a la presión hidrostática se debe evaluar cuando se diseña una boya por la presión que ejerce sobre el casco. Es una primera consideración en el diseño de boyas de superficie y flotadores de fondo.

Lanzado y Cargas de la Recuperación Debe tener una cuidadosa consideración en la fase de diseño para la carga transitoria y lanzamiento de la boya como también elementos para la recuperación de la boya. Durante el despliegue, la boya puede tener que sostener el peso del ancla y además la línea del amarre entera antes de ser fijada al fondo marino. Al recuperar, la carga en punto de alzamiento puede ser riesgoso, porque debe sostener el peso de la boya en el aire, además del peso de la línea del amarre todavía atada a la boya (a veces incluyendo el ancla), más la dinámica cargante debido al movimiento de la nave. (Barco).

161

Los materiales y fabricación de boyas flotantes Las Boyas de la superficie. Un gran número de boyas de superficie son hechas con formas de cascos firmes y geometría simple. También se usa a menudo espuma con plástico para la fabricación de boyas de superficie, debido a que la ligera densidad de la espuma; la resistencia se logra al proteger externamente con cascos de plástico duro- Pueden hacerse boyas de acero, aluminio o fibra de vidrio.

Acero.

El acero ofrece muchas ventajas. Su fabricación y soldadura siguen prácticas estandares, para el puntos de anclamiento, amarre a un barco, etc. La atadura al fondo marino debe hacerse muy fuerte, para protegerse contra la corrosión, a bajos costos. El peso de acero es una desventaja. Si el peso no es una preocupación mayor, el acero es excelente para una construcción resistente, duradera y económica.

Aluminio.

Aluminio, un material popular entre diseñadores de boyas debido a su densidad más ligera, pero también ofrece muchas desventajas. Las aleaciones aluminio para el uso marino (AL 5083, AL 6061, AL 6063, por ejemplo) deben seleccionarse cuidadosamente. La soldadura buena es delicada, y el calor generado durante el proceso de la soldadura reduce la fuerza de la aleación del aluminio. Las soldaduras se abren a menudo. Deben reforzarse los puntos de recogida de la boya y la atadura para el amarre a un barco para evitar fallas. El casco de aluminio –principalmente el pintado— requieren un proceso especial.

Fibra de Vidrio.

Los cascos de fibra de vidrio son algo más pesados que los cascos de aluminio, su fuerza y resistencia al ambiente son excelentes. El costo, sin embargo, todavía es una desventaja, excepto cuando producido en las cantidades relativamente grandes.

162

Plástico.

Los flotadores de espuma plásticos pueden ser hechos fácilmente mezclando y vertiendo los componentes de espuma (el poliuretano, por ejemplo) en un molde de una forma dada. Cuando se extiende y solidifica, la espuma de densidad ligera puede cubrirse entonces por capas de resina para impregnar telas de fibra de vidrio (capas) que endurecerá en un casco sólido. Solo para pequeño a medio tamaño en boyas de superficies (15 pie diámetro o menos) puede hacerse con esta técnica. Las boyas de tamaños superiores normalmente son de construcción metálica.

Boyas sumergida, se mantienen a flote con los siguientes materiales La forma de casco que más buenos resultados entrega y resiste de mejor la presión externa es la esfera. Los ejemplos de metales de fuerza alta para resisten la presión usados para la fabricación de cascos resistentes son acero (el A285 Grado C), el acero de fuerza alta (HY 80), aluminio (6061-T6, 7075-T6), y titanio (6A1-2Cb-1Ta-8 Mo).

Pueden hacerse cascos metálicos esféricos resistentes las profundidades del océano, con un nivel de profundidad alto.

Sin embargo, a las profundidades grandes, estas esferas ya no flotarán. Una estimación de profundidad y rendimiento puede obtenerse como sigue: La fuerza flotante, B, en un casco esférico de radio R, casco grueso t, y densidad de peso ρW se da aproximadamente B = ρW

4 3 πR − ρ M 4πR 2t 3

ρW , peso densidad del agua de mar. Cuando la esfera empieza a hundir, B es igual a cero. El espesor del casco es entonces t=

R ρW 3 ρM

Y el espesor al radio t/R es entonces t 1 ρW = R 3 ρM

La tensión en el casco debido a la presión hidrostática, asumiendo la tensión uní axial (la teoría de casco delgado), puede obtenerse considerando las fuerzas necesarias para mantener una esfera

163

en el equilibrio (vea el cuerpo libre hacer el diagrama de). Para el equilibrio, la fuerza externa es igual a la fuerza interior, entonces 2 ∫ pdA = p 2πR ∫

π /2

0

cos θ sin θ dθ = pπR 2 = 2πRtσ

Resolviendo para la concentración de tensión, σ

σ=

pR 2t

De esta expresión de la tensión, la presión resultante en el rendimiento se da por p=

2tσ y R

Esta presión es directamente proporcional, para un material dado, al espesor de la proporción del radio. El t/R, El máximo, el t/R, disponible antes de la esfera se pone demasiado pesado flotar, se da como:

1 ρW t   =  R  max 3 ρ M Este valor de t/R introducido más allá de presión, hace imposible de construir una esfera flotante: ρ 2 pmax = σ y W 3 ρM

La presión y la profundidad límite, se clasifica en la tabla para los diferentes materiales

164

Tabla: Berteaux, Henri. Buoy Engineering.

Determinaremos el espesor de la pared, t y el radio, R, la boya esférica con las especificaciones siguientes, El material - HY 80 Acero rinde tensión de 90,000 psi.

Profundidad de trabajo-600 m La flotación requirió - B=25,000 lb.

Factor de seguridad=1.5 La solución 1. La presión activa a los 600m es 874.5 psi.

2. La presión rendida- Py= (1.5) presión de trabajo= (1.5) (874.5) = 1312 psi.

3. Usando (6.5) la proporción del t/R se da entonces por

P t = Y R 2σ Y Por consiguiente, y

165

t=

PY R 1312R = = 7.28 ×10−3 R 2σ Y (2)(90,000)

Usando este valor de t en los rendimientos B = ρW

4 3 πR − ρ M 4πR 2 (7.28 × 10 −3 ) R 3

De donde B = 222 .6 R 3

Usando la flotación requerida y resolviendo para R R = 3 25,000 / 222 .6 = 3 112 .3 = 4.825 ft

La muro t se da por t = (7.28)10 −3 (4.825) = 0.035 ft = 0.420 in El peso de la boya en el aire será entonces

W = 4πR 2 tρ M (4π )(4.825) 2 (0.035)(495) = 5064 lb Posibilidades de utilización.

Boyas llenas de aire u otros elementos.

Las boyas huecas a veces están llenas con aire comprimido para ayudar a reducir la presión diferencial del casco. El aire comprimido se agregará al peso de la boya, sin embargo. Además, la boya tiene que resistir la presión en el interior. La boya debe diseñarse cuidadosamente y construirse industrialmente bajo prácticas normales de fabricación.

Cascos resistentes.

Se han usado materiales aparte de los metales, principalmente en una base experimental, para la construcción de cascos resistentes que resistan la presión. Tales materiales son plásticos duros,

166

cristales, y fibra de vidrio. Entre éstos, se han usado sólo polyester y cristales extensivamente en la fabricación de esferas pequeñas para las aplicaciones de profundidades poco profundas.

Cascos delgados.

Otra manera de proporcionar la flotación mientras esta sumergido, es llenar los cascos con fluidos, gases o líquidos que son más ligeros que el agua. Las cantidades grandes de fluidos pueden guardarse en recipientes metálicos o no metálicos (goma). En profundidad, la presión diferencial en el casco puede mantenerse en un valor muy pequeño aplicando los medios convenientes.

Ejemplos de gases comprimidos que pueden usarse con el propósito de proporcionar la flotación son aire, nitrógeno, hidrógeno, helio, y hydrazine (N2H4). La densidad de gas aumenta con la presión. Como los aumentos de presión, la diferencia de densidad entre el aire y el agua se vuelve cada vez menor.

Tabla: Berteaux, Henri. Buoy Engineering.

Sólo gases de ligeros de densidad como el helio e hidrógeno todavía pueden proporcionar una flotación a grandes profundidades. Sin embargo, las dificultades de guardar y manejar comprimido y potencialmente explosivo (el hidrógeno) restringen su utilización.

Se han usado a menudo los líquidos del hidrocarburo para proporcionar la flotación en las profundidades del océano. La gravedad específica de líquidos del hidrocarburo es bastante alta, aproximadamente 0.7 para la gasolina más ligera a 0.9 para el combustible diesel, pero su manejo puede ser problemático. Su eficiencia es el costo, sin embargo es bueno utilizar cuando son altas las cantidades de flotación y a profundidades considerables. Los submarinos de investigación de mar profundos Trieste (EE.UU.) y Archimede (francés) usan toneladas de gasolina como su fuente principal de flotación.

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Sólidos más livianos que el agua.

Algunos sólidos más livianos que el agua que puede resistir la presión extrema de la profundidad del océano. Ciertos plásticos como el polietileno (gravedad especifica=0.92 a 0.96) el polipropileno (la gravedad específica aprox. 0.91) es más ligero que el agua. Sin embargo, debido a su peso intrínseco, la eficacia de estos plásticos como materiales de flotación es bastante pobre.

También se usan materiales compuestos hechos para resistir la presión como algunos que son empotrados en una matriz de resina como "sólidos" flotantes. Estos materiales difieren notablemente en la densidad, profundidad activa, calidad y costo. En la siguiente tabla resume las propiedades de ciertos materiales compuestos. La espuma sintética esta hecha de microesferas de cristal (diámetros que van de 10 a 200 micras) incluido en la matriz de la resina. La espuma sintética se usa en la fabricaron de boyas para mares profundos. Resiste las presiones más altas del océano, y a estas presiones flota más que cualquier otro material.

La espuma sintética es abrupta y fácil mecanizar y agrupar. La absorción de agua debido a la implosión de microesferas es. Puede sumar a 2% o menos del peso de espuma a la primera inmersión, poniéndose despreciable en los usos subsecuentes. La principal desventaja de la espuma sintética es su costo muy alto.

Tabla: Berteaux, Henri. Buoy Engineering.

Consideraciones practicas para el diseño.

Las Consideraciones prácticas.

Un buen diseño de la boya debe incorporar siempre algunos rasgos que agregarán fiabilidad a la boya, también incrementaran facilidad de manejar. Años de experiencia han mostrado las siguientes consideraciones las cuales son realmente importantes y útiles Compartimientos dentro del casco de la boya.

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Es a menudo ventajoso dividir el interior del casco de boyas en varios compartimientos firmes.

Esto prevendrá una total inundación en caso de una gotera. Los compartimientos Separados (o pozos) puede usarse para guardar baterías, electrónica, y tipo de equipo.

Espuma en el interior de la boya.

Pueden llenarse los compartimientos no usados para almacenamiento o el interior completo de la boya con espuma de densidad ligera (2 lb. /ft3). Esto agregará a la boya un costo y además peso.

Es, sin embargo, es una manera simple y eficaz de prevenir inundando por el goteo.

Característica antivuelco boyas.

Una manera elegante de prevenir el volcando completo de la boya (hacia el fondo) es proporcionar una cantidad pequeña de flotación en el punto más alto de la estructura de boya de superficie (Esfera o prisma de espuma encima de la torre como mostrado en la figura) Una ola de consideraciones puede inclinar la boya, pero el flotador pequeño atado a la torre (o mástil) prevendrá la rotación completa. La tensión en la línea del amarre corregirá en el futuro a la boya.

(Es decir corregirá su balanceo, o volcado)

Figura 92: Berteaux, Henri. Buoy Engineering.

Alzando la boya.

Como mencionado antes, las cargas transitorias altas, son un riego por el peso de la boya, este peligro puede experimentarse durante lanzar y recuperar la boya. Es de primera importancia asegurar esto apunta, debe darse importancia a estos puntos de amarre y alzamiento, deben ser

169

puntos de alta fuerza que estos puntos no deteriorarán después de meses en exposición medioambiental (como una vuelta de soga de alambre que puede corroerse por efectos del mar), y que ellos son claramente marcados como los puntos de alzamiento.

Debe probarse la fuerza de nuevas boyas antes despliegue. Alzando la boya con una carga de la prueba (Un ancla, por ejemplo) es una manera simple de probar la fuerza de la boya y de sus puntos de alzamiento. Un fracaso en el mar del punto de alzamiento durante el despliegue o la recuperación siempre es sumamente peligroso y puede ser catastrófico.

Almacenaje de la boya.

Las boyas deben guardarse en un lugar adecuado para evitar que en el fututo rueden y sean tiradas. Por consiguiente, la boya debe estar en una posición descansada antes de navegar.

Agarraderas o anillos puestos a la periferia de la boya pueden ser muy útiles para ese propósito.

Tres agarraderas igualmente espaciadas sobre la boya pueden servir como un propósito dual: para mantener la base de la boya en descanso sobre la superficie y cuando esta sea guardada, también mantiene los puntos fuertes de atadura una esta debe ser amarrada al barco o sobre las conexiones de línea del antes de que este cuando despegue. Se debe fabricar una cuna especial para guardar boyas de formas particulares.

Alzado de la boya.

Una forma segura de recuperar la boya desde la nave es relativamente difícil. Por otro lado, toma tiempo y talento para enlazar o coger con red de una nave una boya esférica desnuda. El diseñador debe intentar combinar agarrando y alzando en un solo anillo, fianza, o agarradera. Si no factible, el punto agarre debe marcarse claramente no "alce" La mejor forma de agarrar una boya es cogiendo con un gancho o anclote, una línea corta y lanzarla entre la boya principal y un flotador auxiliar pequeño, esto puede ser de gran ayuda cuándo se necesite agarrar y sostener la boya.

Figura 93: Berteaux, Henri. Buoy Engineering.

170

Medios

de localización.

La boya puede tener que ser recuperada en la niebla, por la noche, o en el tiempo malo. Incluso en tiempo bueno, siempre es difícil divisar un pequeño objeto en la superficie del océano. Por consiguiente, la boya debe equiparse con los medios apropiados por facilitar su localización. Éstos podrían incluir: la pintura luminosa y fluorescente, banderas (naranja o amarillo), reflectores del radar, luces estroboscopias, señal de la radio, y la resonancia acústica. El diseño de boyas sumergidas debe de ser aun más detallado que lo mencionado anteriormente.

La identificación y señalizacion.

Una buena y permanente práctica es que se identifique al dueño de la boya. Es la única manera el dueño de la boya tenga una oportunidad para ver de nuevo, o que tenga noticias de sobre la boya.

Para impedirles bien a los marineros mal intencionados cortar una boya de la superficie de su amarre o a temas relacionados con el clima, podría ayudar desplegar las coordenadas geográficas del sitio de la boya. Por otro lado, ningún capitán en su mente intentará recoger un objeto esférico no identificado con el peligro que puede traer esto, destacarse antenas y sensores. Lo mejor que se puede hacer y tener presente antes del diseño es marcar o escribir sobre la boya lo siguiente "Ningún Peligro" o la "Boya de la Investigación "Oceanográfica el poderío del mensaje representa la diferencia entre recuperación eventual o abandono al mar.

171

Modelos Aplicables para el Diseño Modelo 1: Dinámica de fuerzas sobre un objeto flotante Ecuación de movimiento.

Dispositivo del tipo en el cual la energía de la ola se transfiere directamente a la energía cinética del dispositivo, porque la energía de la ola es oscilatoria, el movimiento resultante del dispositivo también será oscilatorio, también la ecuación dinámica de movimiento se puede usar para simular el sistema y explorar las estrategias para extraer la energía del sistema.

Seleccionamos un sistema de absorbente de punto de masa m y modelamos su respuesta a la excitación de la ola monocromática. La ecuación dinámica de movimiento para una estructura que se mueve con esfuerzo es:

m

d 2z = F1 + F2 + F3 + F4 dt 2

Donde : F1 = es la reaccion inercial de agua.

F2 = es la fuerza restauradora hidroestatica.

F3 = es la fuerza generada por el movimiento de la onda.

F4 = es inducido por la sup erfice de la onda.

(Para extraer la energía desde este sistema nosotros debemos agregar un término de fuerza extenso que se controla de tal manera que el trabajo neto ( ∫ F dx ) fuera positivo. Se asume que la extracción de energía es simplemente adicional a F3 la fuerza generada por el movimiento de la ola) Una ecuación similar puede derivarse para un cuerpo tirado. Acoplando entre los modos diferentes el movimiento es posible, pero para brevedad, los cálculos en este informe son sólo para el puro sistema con esfuerzo.

172

Para la mitad sumergida de un flotador esférico de diámetro D , las fuerzas son las siguientes: F1 = −

πρD 3

..

z

12 πρgD 2 F2 = − z 4 F3 = −

F4 =

π 2 ρg 2 A 2 D . z 8ω

πρgaD 2 

kD  1 −  cos ωt 6  

2 ..

.

Donde z y z , respectivamente, la aceleración vertical y velocidad del flotador, y letra A es la proporción de amplitud de la ola del movimiento. La ecuación de movimiento del flotador como un sistema oscilatorio puede escribirse como: ..

.

M z + C z + Kz = F (t )

Donde M es la masa eficaz total del sistema, el C es el término causado por el levantamiento de energía del sistema, K es la contracción y F (t ) es la función de fuerza. (Nota F (t ) puede modificarse ajustando la carga durante el ciclo en la extracción de energía.), por lo que también puede ser: ..

z=

.

1 ( F (t ) + C z − Kz ) M

173

ola

F(t) Fondo

174

Modelo 2: Hidrodinámico de un objeto flotante La dinámica de sistema de la boya La fuerza exigida para mover la boya en el agua esta dada por:

F = (m + m' )V mv = m + m' m' = Cmρ (Vol ) Donde : Vol = Es el agua el volumen de agua desalojada por el cuerpo sumergido. m = Masa mv = Masa virtual cm = Coeficient e de masa

Para calcular las fuerzas sobre la boya, se asumirá que las dimensiones de la boya son pequeñas en comparación con la longitud de onda, es decir las dimensiones de la boya no alteran la forma de la ola, se asume que las fuerzas ascendentes son positivas.

Las fuerzas que actúan sobre la boya son las siguientes:

175

WB = ρgSD , peso mientras actua hacia abajo.

P1 = − ρgS ( D + X ) , presion debido al desplazamiento de la boya.

P2 = ρgSη 0 e − KD ' , presion debido a elevacion de onda η 0 Aplicando la segunda ley de Newton de movimiento y balanceando fuerzas. cx + bx'+ mv x' ' = F0 cos(ωt + σ ) Donde : c = ρgS = Const . de restauracion. b = Coeficiente lineal de esfuerzo para levantar. d = Coeficiente lineal de ola inducido.

La fuerza excitante por las olas esta dada por:

[

F0 = Ae − KD (c − mvω 2 ) 2 + ( dω ) 2

]

1/ 2

La frecuencia natural de oscilación esta dada por:

fn =

mv c

Ahora las fuerzas de arrastre pueden ser linearizadas.

4 ωδC D SX 3π 4 = ωδC D SA 3π

b=

Integrando la ecuación de movimiento, la ecuación del movimiento de esfuerzo esta dada por:

176

[ [

A (c − mω 2 ) 2 + (bω ) 2 x= mv ( p 2 − ω 2 ) 2 + 4n 2ω 2

] ]

1/ 2 1/ 2

cos(ωt + σ + θ )

 − ωb    c − mvω 

θ = tan −1  Donde :

θ = es el angulo en fase entre la fuerza y la respuesta de esfuerzo.

Finalmente la función de transferencia de esfuerzo para levantar la boya esta dada por

[(c − mω ) + (bω ) ] H (ω ) = [( p − ω ) + 4n ω ]

2 1/ 2

2 2

2

2 2

2

2 1/ 2

177

Modelo 3: De un objeto flotante soporte superior En la siguiente figura se muestra un diagrama esquemático de un sistema para generar energía.

En el flotador se producen desplazamientos verticales debido al movimiento de las olas esto funciona como una excitación de movimiento para el sistema generando energía.

El movimiento de este sistema consiste en un desplazamiento traslacional del centro de la masa y un desplazamiento de rotación alrededor del centro de la masa. El modelado matemático del sistema completo es muy complejo.

k Resorte

Iman permanente estatico

Bobina interna dinamica Flotador xo

m

Ola P

xi

Una versión muy simplificada del sistema de flotación aparece en la siguiente figura, suponiendo que el movimiento xi en el punto P es la entrada al sistema y el movimiento vertical x0 del cuerpo es la salida, se considera el movimiento del cuerpo solo en la dirección vertical y el desplazamiento xo se mide a partir de la posición de equilibrio en ausencia de la entrada xi. Por X (s) consiguiente se puede obtener una función de transferencia del sistema. O X i (s)

178

m

k

b xo

P

xi

La ecuación de movimiento para el sistema es la siguiente. m&x&o + b( x&o − x&i ) + k ( xo − xi ) = 0 También se puede utilizar, m&x&o + bx&o + kxo = bx&i + kxi Tomando la transformada de Laplace de esta última ecuación, y suponiendo condiciones iniciales =0, obtenemos (ms 2 + bs + k ) X O (s) = (bs + k ) X i ( s) Por consiguiente la función de transferencia X O ( s ) / X i ( s ) se obtiene mediante, X O (s) bs + k = 2 X i ( s ) ms + bs + k

179

Modelo 4: De objeto flotante con anclaje rígido Diseño.

Los Flotador esférico: Los flotadores esféricos son una opción eficaz de boyas porque son asequibles y es fácil trabajar y modificar con herramientas, máquinas normales que pueden ser encontradas en tiendas.

Proporcionan gran flotación para movimiento lineal, cuando esta parcialmente sumergido debido al rápido desplazamiento de volumen de liquido.

La forma lisa, regular de una esfera proporciona un pequeño arrastre en distintas direcciones, haciendo una primera opción una boya con forma de esfera, debido a los complicados flujos encontrados en las olas de la superficie.

La preocupación primaria para usar el diseño del flotador con forma de esfera es con respecto a la respuesta de la fuerza de las olas en el eje horizontal (x) debe moverse con el flujo o de algún modo resistirse al flujo para obtener los resultados exactos y significantes. y Flotador ola x

Flujo z

El flotador con forma de esfera no permite medir la energía generada en el eje x debido al flujo en esta dirección. Las posibles soluciones para medir la energía en la dirección de x sería diseñar un mecanismo que devolverían el flotador a su posición original. Otra solución sería demostrar que las fuerzas y la energía generada en la dirección de x es despreciable.

La esfera debe construirse con material flotante con un radio el cual debe ser aproximadamente 1/10 de las longitudes de la ola esperadas. Lo ideal es diseñar esta esfera con un material plástico, debe estar vacío en su interior para reducir su peso El peso reducido disminuiría la porción sumergida de la pelota, aumentando la credibilidad de la pérdida de energía despreciable en la dirección x

180

Flotador ola

Ancla Fondo

Si la fuerza y energía en la dirección de x no son despreciables, un plan diferente necesitará ser considerado, uno que podrá medir la energía en la dirección de x. Una solución simple a este problema está atando un trozo de metal al ancla del flotador con forma de esfera.

La fuerza y la energía, en la dirección de x, puede calcularse usando la ecuación 1, derivado tratando la tira de metal como una viga. y Fx

z

x L

O

Z

Donde : Fx = es la c arg a distribuida generada por el agua como flujo.

W = desviacion total de la viga en una longitud dada z.

O = es el origen. z = es la dis tan cia a lo l arg o de la viga fuera del origen.

L = es la longitud total de la viga.

Ecuación 1= Fuerza debida a la desviación Fx, los cálculos de la desviación son los siguientes: dV Por la integración de = Fx y la substitución de las condiciones de limite V ( L ) = 0, dz

181

FX L2 , θ (0) = 0 , y W ( 0) = 0 , una expresión para la relación entre la fuerza y el 2 desplazamiento puede ser derivada.

M ( L) =

Integrando, dV = FX dz V = F X z + C1

dM =V dz F z2 M= X + C1z + C 2 2

dθ =M dz F z 3 C1z 2 θ= X + + C 2 z + C3 6 2 dW θ = dz EI FX z 4 C1z 3 C 2 z 2 + + + C 3z + C 4 24 6 2 W= EI Donde : E = es el mod ulo de elasticidad del material I = es el segundo momento de area.

182

Ahora aplicando las condiciones de límite:

V ( L) = Fx ( L) + C1 = 0 C1 = Fx L F ( 0) 2 L Fx L = x + C1(0) + C 2 2 2 F L2 C2 = x 2 F (0) 3 C1(0) 2 θ ( 0) = 0 = x + + C 2( 0) + C 3 6 2 C3 = 0 M ( 0) =

Fx (0) 4 C1(0) 3 C 2(0) 2 + + + C 3(0) + C 4 6 2 W (0) = 0 = 24 EI C4 = 0 Segundo Momento de Área:

Donde : h = es la altura del trozo en la direccion de y.

A = es el area del trozo que esta torcido.

Por el uso del Teorema del Eje Paralelo, I=

hL3 + d2A 12 2

hL3  L  I= +   (hL) 12  2  5hL3 I= 12 Por consiguiente, FX z 4 C1z 3 C 2 z 2 + + + C 3z + C 4 24 6 2 W= EI

183

Donde : E = es el mod ulo de elasticida d del material I = es el segundo momento de area.

FX L2 ( L) 2 FX ( L ) FX L ( L ) 2 + + + 0( L ) + 0 6 2 W = 24  5hL3   E  12   4

FX =

3

.588 EWh L

Donde E es el módulo de elasticidad del material, h la anchura del trozo de metal (moderado en la dirección de y), W la defección en la dirección de x a L, y L la longitud del trozo de metal. Este método se aprovecharía la de las propiedades longitudinales del agua de las olas para medir el componente de x de la energía. Esto asume que no hay variación en el flujo paralelo al eje de x.

Este plan permite conocer las medidas de la desviación, el trozo de metal tendría para ser cerca bastante al borde para minimizar los efectos de la difracción ligera en el agua.

La ventaja primaria de usar un flotador esférico es la reducción de arrastre en la direcciones xy, mientras se mantiene la estabilidad direccional. La fuerza y energía del flujo en el la dirección de x es demasiado grande para ser ignorada y afectaría los resultados obtenidos adversamente.

184

Otros tipos de flotadores.

Los Flotadores con forma de platillo.

Los flotadores del platillo serían similares a los flotadores con forma esférica discutidos anteriormente. Los flotadores del platillo tienen la ventaja primaria de tener un perfil más delgado con respeto al flujo en la dirección de x, con esto se reduce el arrastre y las fuerzas en la dirección de x. El concepto de conos adelgazados en la cima y fondo del flotador es reducir arrastres en la dirección de y para resultados más exactos. La desventaja primaria de éstos los flotadores del platillo son la baja habilidad de producirlos a las especificaciones requeridas. El proceso de diseñar y fabricar el flotador es caro y consume mucho tiempo. y

Flotador forma platillo. x z

y Flotador forma de Cono. x z

Otra posibilidad sería orientar el platillo como se muestra a continuación, y y

z

x z

x

Flotador forma platillo posicion lateral

Esta orientación eliminaría arrastre en la dirección de y.

185

Un tipo similar de flotador también puede demostrar útil reduciendo aun más el arrastre y otras influencias por el flujo en la dirección de x. Un platillo lágrima-formado modificado, orientado en forma similar al platillo. y

x z

Flotador forma de lagrima y

z

x

El fin adelgazado del flotador lágrima, puede ayudar reducir el arrastre, aunque en eso dependerá de la velocidad de los flujos y el los materiales usados en su construcción.

186

Modelo 5: De generación con soporte superior rígida El diseño consiste en poner un imán permanente en el flotador y este se mueva a través de una bobina de cable, con este movimiento se generara corriente.

Un ejemplo se muestra a continuación.

Bobina interna estatica

Iman permanente dinamico

Flotador Ola

Movimiento del sistema magnético y sistema de bobina estacionaria.

Un diseño alternativo para reducir el peso del flotador, es tener la bobina de cable moviéndose entre los imanes, un ejemplo se muestra a continuación,

Bobina interna dinamica Bobina Interna dinamica

Iman permanente estatico

Flotador Ola

Sistema magnético estacionario y movimiento de sistema de bobina

187

Bobina Iman

y x

Iman

y Bobina z

x z

Vista superior y vista frontal del movimiento de la bobina y sistema magnético estacionario.

En esta figura se logra obtener el peso más ligero, es uno de los más convenientes para el proyecto. Si el flotador posee menos peso, menor será la energía generada por relación de aceleración del flotador, y el tiempo de respuesta del sistema será aun más rápido. Para lograr resultados más significantes para cualquiera de los modelos mostrados es necesario sellar herméticamente la bobina. Los imanes deben estar dispuestos en forma continua y sellados herméticamente para proporcionar una densidad de campo magnética máxima.

Los dispositivos anteriormente nombrados se pueden integrar en un circuito como el uno mostrado en esta figura.

-

v

+

Circuito simple con carga variable.

Generador de energía.

El poder generado por los sistemas que involucran la bobina de cable y los imanes permanentes se pueden determinar mediante la siguiente ecuación, Energía generada por el sistema de bobina e imán permanente.

188

V2 R ∂ ( BA) V = −N ∂∆t Potencia =

B=

µ0 P 4πd 2 µ r

Donde: V = es el voltaje.

R = es la resistencia.

N = es el número de vueltas en la bobina.

B = es el flujo magnético.

A = es el área de la bobina de cable.

t = es el tiempo.

P = es la fuerza del imán permanente.

d = es la distancia al centro de la bobina. y µ 0 = µ r = 4π ×10 −7 N / A2 Por consiguiente.   µ0 P  ∆ 2   4πd µ r − NA *  2 ∆t ∆B     − NA *   ∆t  = Potencia =  R R 2 4 2 N r P Potencia = 16 R∆d 4 ∆t 2

2

     N 2π 2 r 4 P 2  1   * 4 2   2  = 16π  ∆d ∆t  R

189

Modelos aplicables nuevos.

Modelo 6: Sistema de flotación con soporte no rígido y generador en parte superior Se puede intercambiar flotador por: esfera, cubo, elipsoide, cono, pirámide y cilindro, es necesario separar: • • • •

Dinámica de Boya, fuerza boyante, estabilidad y flotabilidad Dinámica del cable o soporte.

Ecuación de Inducción electromagnética.

Calculo de anclaje, peso muerto.

El sistema de generador lineal esta en la parte superior con esto la mantención se hace más factible y con un menor costo.

Boya Esferica

Ola

Resorte k Elemento Restaurador

Iman Estatico Permanente

Bobina Interna Dinamica

Soporte

Ancla

Fondo

Figura 94 Modelo 6

190

Modelo 7: Sistema de flotación con soporte no rígido y generador en parte inferior Se puede intercambiar flotador por: esfera, cubo, elipsoide, cono, pirámide y cilindro, es necesario separar: • • • •

Dinámica de Boya, fuerza boyante, estabilidad y flotabilidad Dinámica del cable o soporte.

Ecuación de Inducción electromagnética.

Calculo de anclaje, peso muerto.

El sistema de generador lineal esta en la parte inferior con esto es posible que se incremente la fuerza, pero existen detalles como la mantención y evitar la filtración de líquido al generador lineal.

Boya Esferica

Ola

Soporte

Bobina Interna Dinamica Iman Estatico Permanente

Resorte k Elemento Restaurador

Sistema Sellado Fondo

Ancla

Figura 95 Modelo 7

191

Modelo 8: Sistema de flotación con soporte no rígido y generador en parte media Se puede intercambiar flotador por: esfera, cubo, elipsoide, cono, pirámide y cilindro, es necesario separar: • • • •

Dinámica de Boya, fuerza boyante, estabilidad y flotabilidad Dinámica del cable o soporte.

Ecuación de Inducción electromagnética.

Calculo de anclaje, peso muerto.

El sistema de generador lineal esta en la parte central con esto es posible que se incremente la dinámica, pero existen detalles como la mantención y evitar la filtración de líquido al generador lineal. También posee doble sistema de imanes en la línea de sujeción lo cual es muy posible que aumente la generación de energía eléctrica.

Boya Esferica

Ola

Soporte A

Resorte k Elemento Restaurador A

Iman Estatico Permanente

Sistema Sellado

Bobina Interna Dinamica

Resorte k Elemento Restaurador B

Ancla

Soporte B

Fondo

Figura 96 Modelo 8

192

Evoluci贸n futura de posibles dise帽os Modelo futuro 1.

Modelo para utilizaci贸n en la costa dispone de un generador convencional en la parte superior, es un sistema para ser implementado en el borde costero.

Figura 97: Modelo Captador de olas mec谩nico.

193

Figura 98: Modelo Captador de olas mecรกnico vista realista.

194

Otras imรกgenes del modelo.

Figura 99

Figura 101

Figura 100

Figura 102

195

Modelo futuro 2.

Modelo para utilizaci贸n en la costa dispone de un generador convencional en la parte superior, es un sistema para ser implementado en el borde costero, es muy similar al modelo anterior su diferencia radica en que posee una rampa para focalizar el ingreso de la ola al captador de olas.

Figura 103: Modelo Captador de olas mec谩nico con rampa.

196

Figura 104: Modelo Captador de olas mecรกnico con rampa vista realista.

197

Otras imรกgenes del modelo 2.

Figura 105

Figura 106

Figura 107

Figura 108

Figura 109

Figura 110

198

Modelo futuro 3.

Modelo para utilizaci贸n en la costa y cercano a la costa dispone de un generador convencional en la parte inferior, es un sistema para ser implementado en el borde costero, posee un flotador el cual se mueve en forma vertical solidario a una correa que mueve un generador.

Figura 111: Modelo generador con flotador.

199

Figura 112: Modelo generador con flotador vista realista.

200

Otras imรกgenes del modelo 3.

Figura 113

Figura 114

Figura 115

Figura 116

Figura 117

Figura 118

201

Modelo futuro 4.

Modelo para utilizaci贸n en la costa dispone de un generador convencional en la parte posterior, es un sistema para ser implementado en el borde costero, posee un captador de ola, el cual se mueve en forma horizontal es solidario a una correa que mueve un generador, cabe destacar que posee un generador eolico que es accionado por la presi贸n de aire que ejerce una ola al pasar a trav茅s de un conducto cerrado de forma tubular.

Figura 119: Modelo generador conjunto mec谩nico y eolico.

202

Figura 120: Modelo generador conjunto mec谩nico y e贸lico vista realista.

203

Otras imรกgenes del modelo 4.

Figura 121

Figura 122

Figura 123

Figura 124

Figura 125

Figura 126

204

Modelo futuro 5.

Modelo para utilizaciĂłn directamente en el ocĂŠano, a una profundidad considerable, posee un generador lineal en la parte superior, ademĂĄs incorpora una boya (flotador), el cual se mueve en forma vertical este movimiento es solidario al generador lineal.

Figura 127: Modelo utilizando una boya con generador lineal.

205

Figura 128: Modelo utilizando una boya con generador lineal vista realista.

206

Otras imรกgenes del modelo 5.

Figura 129

Figura 130

Figura 131

Figura 132

207

Modelo futuro 6.

Modelo para utilización directamente en el océano, a una profundidad considerable, posee un generador lineal en la parte superior, además incorpora una boya (flotador), el cual se mueve en forma vertical este movimiento es solidario al generador lineal, es similar al modelo Nº 5 la diferencia radica en que posee un peso muerto e incorpora mas soportes.

Figura 133a: Modelo utilizando una boya con generador lineal y contrapeso vista realista.

208

Figura 133b: Modelo utilizando una boya con generador lineal y contrapeso vista realista.

209

Otras imรกgenes del modelo 6.

Figura 134

Figura 135

Figura 136

Figura 137

210

Fuentes: RECIPROCATING INDUCTING POINT ABSORBER, MECH 4020 – DESIGN PROJECT, April 4, 2007 Permanent magnet fixation concepts for linear generator ,Oskar Danielsson, Karin Thorburn, Mikael Eriksson and Mats Leijon, Division for Electricity and Lightning Research Department of Engineering Sciences Uppsala University, Box 534, S-751 21 UPPSALA Industrial Research Limited Report 86726/LL2, Initial Report on Wave Energy Conversion Lan Le-Ngoc, Marcus King , Alister Gardiner For Public Release Industrial Research Limited, Christchurch June 2004 Float based Energy Generation from Water Waves ,Michael Bigelow: Harvey Mudd College Professor Kirill Horoshenkov: University of Bradford, Summer 2005 Scaled modeling and Simulation of Ocean Wave Linear Generator Buoy Systems Design of a Mobile Coastal Communications Buoy By Meghan Hendry-Brogan B.S., Ocean Engineering (2003) Massachusetts Institute of Technology Submitted to the Department of Ocean Engineering in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Naval Architecture and Marine Engineering at the Massachusetts Institute of Technology September 2004

Mechanics of nonlinear short-wave generation by a moored near-surface buoy

By Q. ZHU, Y. LIU, A. A. TJAVARAS y M. S. TRIANTAFYLLOU AND D. K. P. YUEz Department of Ocean Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139, USA (Received 14 May 1998 and in revised form 5 October 1998) Mecánica Fluidos e Hidraulica RANALD V. GILES Macgrawhill Streeter Wylie Mecánica de los Fluidos, Víctor L. Streeter, E Benjamín Wylie Teoría y Análisis de Maquinas Eléctricas., Teoría y Análisis de Maquinas Electricas. Ing Agustín Gutiérrez Paucar.

Ingeniería Energética, Mecánica de Fluidos, DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ENERGETICA, UNIVERSIDAD DE CANTABRIA, Pedro Fernández Díez Mecánica de Fluidos, McGrawHill, Irving H. Shames PRESION Y ESTATICA DE FLUIDOS, JOSE LUIS ZUÑIGA NAVARRO ALVARO DAVID RODRIGUEZ Ingeniería de control moderna, tercera edición Katsuhiko Ogata University of Minnesota.

MANUAL DE FÓRMULAS Y TABLAS MATEMÁTICAS Murray A. Spiegel, Shaum.

Mecánica de Fluidos, Sears Zemansky Inducción Electromagnética, Sears Zemansky

211

Análisis FODA de los diseños aplicables.

Modelo 1 Es un sistema el cual no contempla todos los aspectos necesarios para realizar una simulación, debido a que posee ecuaciones de borde.

Análisis FODA Modelo 1 Fortalezas F1 F2 F3 F4 F5

Posee un sistema de restauración k.

Posee aspectos mayoritariamente de control.

Oportunidades Se pueden incorporar variables de O1 ingeniería oceanográfica.

O2 O3 O4 O5

Debilidades No tiene incorporado el generador D1 lineal.

D2 D3 D4 D5

No describe mayores detalles.

Es un sistema bastante simple.

Posee ecuaciones de borde.

No resiste tempestades en alta mar.

Amenazas La fuerza de las olas, puede provocar A1 daños en el equipo.

A2 A3 A4 A5

Modelo 2 Es un sistema complejo que describe en demasía aspectos oceanográficos y de mecánica de fluidos no dejando espacio para aspectos de control y escapando de nuestro alcance en algunas variables.

212

F1 F2 F3 F4 F5

O1 O2 O3 O4 O5

Análisis FODA Modelo 2 Fortalezas Debilidades Incorpora todas las variables oceanográficas.

D1 Es muy posible que soporte tempestades en alta mar.

D2 No existen elementos de restauración.

D3 No tiene elementos de deformación.

No tiene elementos para reducir el D4 desgaste.

D5 Oportunidades Amenazas Se pueden incorporar elementos de Es muy posible que se provoquen control.

A1 daños por desgaste.

Se pueden incorporar elementos de La fuerza de las olas, puede provocar resistencia.

A2 daños en el equipo.

A3 No resiste tempestades en alta mar.

A4 A5

213

Modelo 3 Este sistema es el que dispone de mayores ventajas con respecto a todos los modelos involucra variables de control, aspectos de diseño simple y disminuye los cálculos en aspectos de física e ingeniería oceanográfica, esta dentro de nuestro alcance, es factible de ser simulado, solo se debe apuntar a mayores detalles de ingeniería industrial.

Análisis FODA Modelo 3 Fortalezas F1 F2 F3 F4 F5

Es fácil de simular.

Incorpora variables de control Posee elementos de deformación Posee un generador lineal Posee ecuaciones de transferencia.

Oportunidades O1 Se puede utilizar en el borde costero.

O2 O3 O4 O5

Debilidades No tiene las ecuaciones del generador D1 lineal.

D2 D3 D4 D5 Amenazas A1 No posee aspectos oceanográficos.

A2 A3 A4 A5

Modelo 4 Es un sistema bastante complejo donde existen demasiadas variables que controlar como disposición referente a su ubicación, materiales a utilizar sistema de 214antención etc., simular el sistema de sujeción y amarre es un tema que requiere de conocimiento es una aplicación aparte dentro del campo de la simulación, comprende ecuaciones de borde, se requiere de hacer pruebas físicas de morfología y condiciones ambientales.

214

F1 F2 F3 F4 F5

O1 O2 O3 O4 O5

Análisis FODA Modelo 4 Fortalezas Debilidades Es un sistema de disminuye el impacto visual.

D1 Requiere de mucha mantencion.

Es un sistema que disminuye el impacto ambiental.

D2 La mantencion es bastante costosa.

Posee ecuaciones para el generador lineal.

D3 Posee muchas variables que controlar.

Se deben hacer pruebas de morfología D4 para ver estabilidad.

Tiene ecuaciones de borde para el D5 sistema.

Oportunidades Amenazas Es muy posible que sea dañado por Solo se puede instalar en alta mar.

A1 tormentas.

Es muy posible que sea dañado por A2 tempestades.

A3 A4 A5

215

Modelo 5 Es bastante similar al modelo Nº 3, la diferencia radica en que este modelo incorpora mayores detalles en el sistema de generador lineal, pero deja de lado variables de diseño como sistemas de refuerzo, sistemas de estabilidad y control. No existen sistemas de atenuación de fuerza para evitar el desgaste.

F1 F2 F3 F4 F5

O1 O2 O3 O4 O5

Análisis FODA Modelo 5 Fortalezas Debilidades Es bastante fácil hacer una mantencion No posee elementos restauradores de preventiva.

D1 fuerza.

Posee ecuaciones para el generador No posee elementos de deformación lineal.

D2 de estructuras.

No tiene ecuaciones de borde para el sistema global.

D3 D4 D5 Oportunidades Amenazas Solo se puede instalar en el borde No posee elementos de mecánica de costero.

A1 fluidos, en detalle.

A2 A3 A4 A5

216

Resultados de Matriz FODA El diseño a simular es el modelo Nº 3 pero es necesario potenciar y fortalecer algunas de las siguientes variables determinadas a través del matriz FODA para el modelo Nº 3, en el siguiente tema, se detallaran todos las capacidades el modelo.

Factores Internos

Lis

Lis

F1 Es facil de simular.

D1 No tiene ecuaciones del generador lineal en detalle.

F2 Incorpora variables de control.

D2

F3 Posee elementos de deformacion.

D3

F4 Posee un generador lineal.

D4 F5 Posee una ecuacion de D5 Factores Externos FO (Maxi-Maxi) DO (Mini-Maxi) Lista de Oportunidades.

O1 Se puede utilizar en el borde costero.

1 Fortalecer el sistema de simulacion, 1 Fortalecer el diseño, disminuir el impacto visual. O1 Fortalecer los aspectos de control O2 2 F2.

2 Agregar al modelo ecuaciones para D1.

Incorporar y detallar variables para O3 3 implementacion costera.

3 O4 4 4 O5 5 5 FA (Maxi-Mini) DA (Mini-Mini) Lista de Amenazas.

Reactivar y rediseñar el sistema de A1 1 deforacion. F3 1 Revision del modelo para incorporar D1 No posee aspectos oceanograficos.

Reactivar y rediseñar el sistema de A2 2 control. F2 2 Revision del modelo para incorporar A1 A3 3 3 A4 4 4 A5 5 5

Este modelo fue seleccionado por su simplicidad en aspectos matemáticos y porque esta dentro de nuestro alcance no incluyendo variables u aspectos de ingeniería oceanográfica, también porque tiene elementos de deformación y restauración lo cual permite disminuir el desgaste produciendo una mayor duración, otro factor que influyó fue la capacidad para realizar mantención preventiva y correctiva al modelo, su ubicación en el borde costero sin duda ayuda a minorizar los costos debido a este tema, al tener variables de control podemos hacer un movimiento suave al terminar el movimiento sobre el tope para así no fracturar el tope del sistema dinámico de movimiento.

217

CAPÍTULO 5

SIMULACION DEL DISEÑO Diseño.

El diseño de un sistema de compresión para boya generadora de energía mareomotriz esto se convierte en un problema interesante, para hacer más completo el cálculo se diseñara el sistema de compresión y deflexión además del generador lineal.

Todo esto para permitir una mayor sensibilidad en el movimiento y disminuir el peso de la parte móvil del generador produciendo un menor desgaste y una menor fricción para un movimiento mas continúo y con menor esfuerzo.

También se necesita diseñar un sistema que no provoque grandes oscilaciones que dañen la estructura del equipo, si existen estas grandes oscilaciones deben disiparse rápido. Al disiparse rápidamente generara una mayor velocidad de oscilaciones, disminuyendo la amplitud de estas mismas. La deformación de la boya en caso de colisión con olas de gran magnitud será despreciable por esta razón se ha tomado como una variable de elasticidad con una alta magnitud.

Un diagrama de este sistema se muestra a continuación.

Diseño a modelar.

Modelo para utilización directamente en el borde costero, posee un generador lineal en la parte superior, además incorpora una boya (flotador), el cual se mueve en forma vertical este movimiento es solidario al generador lineal, es similar al modelo Nº 3 la diferencia radica en que posee una estructura que entrega un mayor soporte al sistema, por esta razón utilizaremos este modelo incorporando mayores ventajas y eliminando sus debilidades.

218

Figura 138: Modelo generador lineal con estructura de concreto para soporte vista realista.

Figura 139a: Modelo generador lineal con estructura de concreto para soporte vista realista.

219

Figura 139b: Modelo generador lineal con estructura de concreto para soporte vista realista.

220

Otras figuras.

Figura 140

Figura 142

Figura 141

Figura 143

221

MEMORIA DE CÁLCULO Parámetros de Modelación Esta siguiente sección tiene como función determinar matemáticamente mediante una modelación las características de la boya GEMA, sus variables técnicas, rendimiento, capacidad de generación energética y parámetros.

A continuación se muestra la tabla de Datos, esta contiene los parámetros usados en la modelación y las unidades asociadas.

Datos Modelación Parámetro

Descripción

Unidades

K

Constante de Imán*

Wb

R

Radio de Bobina

m

N

Numero de espiras

Unidad

L

Longitud del Imán

m

v

Velocidad uniforme imán

m/s

H

Longitud de la Bobina

m

z

Distancia de imán/bobina

m

π

Numero Pi

Unidad

φ

Flujo

T

V

Fem

V

Fuente: Elaboracion propia.

Parámetros Magnéticos Parámetros y relaciones de conversión usados en la modelación del sistema generador lineal.

Parámetro B H Ф

MKS 1 Tesla 1 Ampere/metro 1 Weber

Datos Magnéticos CGS = 10.000 Gauss = 4·π·0.001 Oersted =100.000.000 Maxwell

Descripción Densidad de Flujo Campo Flujo

Fuente: Elaboracion propia.

222

La siguiente tabla muestra una referencia de valores de parámetros magnéticos.

Gauss 0,5 100 2000 15000 100000

Tesla 0,00005 0,01 0,2 1,5 10

Tabla de Conversión Descripción Campo Magnético Terrestre Imán de Hierro Imán - BNI (Boro-Neodimio-Hierro) Electroimán Grande Electroimán Gigante de Laboratorio

Fuente: Elaboracion propia.

Equivalencias entre las siguientes unidades 50 MegaGaussOersted = 7070 Gauss · 7070 Oersted En el vacío: 1 Gauss = 1 Oersted Propiedades del Imán Sm-Co Generalmente el costo de los imanes Sm-Co son más fuertes que los imanes de Nd-Fe-B. Como una ventaja los imanes Sm-Co son capaces de operar a temperaturas más altas – 300° centígrados.

Los imanes de Sm-Co se usan ampliamente en las aplicaciones donde se necesita alta tolerancia a la temperatura, también en ambientes corrosivos; este imán posee una alta resistencia a la oxidación.

Las calidades listadas son sólo una porción de los productos que se consultaron, este cuadro no especifica la calidad a usarse.

Los datos listados son las propiedades típicas, y los datos en los paréntesis son los valores mínimos Grade Sm1Co5-18 Sm1Co5-20 Sm1Co5-24 Sm1Co5-26

Br

Hc

Hci

(BH)max

Curie Temp.

Máx.. Op. Temp

(KGs)

(KOe)

(KOe)

(MGOe)

(°C)

(°C)

>8.5 >9.0 >10.0 >10.2

>7.8 >8.0 >8.5 >9.5

>17 >17 >15 >15

17-19 19-22 22-24 24-26

750 750 750 750

250 250 250 250

Tabla de imán permanente a usar.

Fuente: http://www.stanfordmagnets.com/magnet.html

223

Generador Lineal.

En lugar de enrollar los rollos del estator y tener a los imanes moviéndose dentro de los rollos, se decidió usar los imanes anulares y tener los estator y rollos moviéndose dentro de los imanes anulares, todo esto para permitir una mayor sensibilidad en el movimiento y disminuir el peso de la parte móvil del generador produciendo un menor desgaste y una menor fricción para un movimiento más continuo, con menor esfuerzo.

Desarrollo matemático.

Usando la ley de Faraday para la inductancia lineal, se conoce que la fuerza aplicada a un sistema es igual al producto de densidad del campo magnético, longitud de rollos y la corriente que fluyen a través de los rollos, como visto en lo siguiente: F = BLi

(1)

Donde: F=Fuerza sobre la Boya [N] B=Densidad de campo magnético [T] L=Longitud del rollo [m] i=Corriente eléctrica [A] También se conoce que el voltaje producido en un sistema es un producto del mismo campo magnético es decir la densidad, la longitud de rollos, y velocidad, como en lo siguiente: V = BLv

(2)

Donde: V=Voltaje [V] v=Velocidad [m/s] Combinando (1) y (2) se ve que impulso mecánico puede traducirse en potencia eléctrica:  F  Vi = BLv   BL 

(3)

Donde: F=Fuerza sobre la Boya [N] B=Densidad de campo magnético [T] L=Longitud del rollo [m] i=Corriente eléctrica [A] V=Voltaje [V] v=Velocidad [m/s] Desarrollando la ecuación (3) se desprende:

224

Potencia Eléctrica. P = Vi [W] Potencia Mecánica. P = Fv [W]

(4) (5)

Por consiguiente, puede concluirse que la energía que se crea mecánicamente, puede convertirse en energía eléctrica.

Las ecuaciones anteriores son ideales para una sola vuelta de alambre. En el caso de un generador lineal qué tiene más de una vuelta de conductor (Bobina), se realizan las siguientes modificaciones.

P=

B 2 L2 n 2 v 2 R

(6)

Donde: n=Numero de vueltas de alambre en bobina.

R=Resistencia total del circuito. [Ω] Finalmente, de la ecuación (5), ecuación (6) puede modificarse a lo siguiente: F=

B 2 L2 n 2 v R

(7)

Donde: R=Resistencia total del circuito. [Ω] F=Fuerza sobre la Boya [N] B=Densidad de campo magnético [T] L=Longitud del rollo [m] v=Velocidad [m/s] n=Numero de vueltas de alambre en bobina.

Para encontrar la densidad del campo magnética eficaz de los imanes, la ecuación (7) necesita ser reestructurada como: B=

V Lnv

(8)

Donde: B=Densidad de campo magnético [T] L=Longitud del rollo [m] v=Velocidad [m/s] n=Numero de vueltas de alambre en bobina.

225

En la teoría, la cantidad de densidad del campo magnética a que va el dentro de los imanes es proporcional al área del imán anular.

Ao do Ai

di dm

El área del área interna puede calcularse como sigue, Ao =

π 4

(d o − d m )

(9)

Donde: d o = Diámetro de imán externo. [m] d m = Diámetro de imán medio. [m] El área interna del imán es, Ai =

π 4

(d m − d i )

(10)

Donde: di =Diámetro interno de imán. [m] Finalmente, la proporción entre la proporción exterior y la proporción interna es determinada por, A (11) Ar = o Ai

226

Modelación Para la modelación se utilizaron las siguientes formulas, para la determinación del flujo magnético utilizamos: Ecuación A:

Para la determinación de la Fem utilizamos: Ecuación B:

Π=Numero Pi Φ=Flujo en T V=Fem en V

Tabla de Cálculos Para determinar el flujo magnético de la boya GEMA, utilizamos los siguientes parámetros y valores: • H=0.2m, es la longitud de la bobina.

• v=0.2 m/s, corresponde a la velocidad uniforme del imán.

• L, es la longitud del imán =0.2m (20cm), no es necesario utilizar un imán demasiado largo.

• N= 3000 vueltas, corresponde al numero de espiras de la bobina.

• R= 0.05m (10cm de diámetro), es el radio del imán a utilizar.

227

• z(t), es la distancia de imán/bobina; esta variable con respecto al tiempo.

El K es la constante del imán, el valor usado es 0.9 Tesla, es un valor convencional para un imán permanente fuerte. Para la determinación de este valor se realizó el siguiente cálculo.

Constante de Imán en Tesla Cte Imán 0 Wb Peso Imán 1,85 Kg Campo Imán 0,9 T

B [T] · R2 [m] L·R2 [m3 ] · ρ [kg/m3]

Fuente: Elaboracion propia.

Modelación del flujo y la FEM Se ha simulado el comportamiento de la ecuación para cada valor para cada momento de la ubicación del imán con respecto a la bobina donde la distancia del imán a bobina es z.

Estos son los valores definidos de cada variable a simular: H

v 0,2

L 0,2

N 0,2

R 3000

K 0,050

0,00225

Fuente: Elaboracion propia.

El flujo magnético obtenido es el siguiente:

Fuente: Elaboracion propia.

El imán inicia su movimiento en esta etapa el flujo magnético es =0 (cero), mientras se acerca a la bobina el flujo comienza a incrementarse, la posición máxima la alcanza cuando el imán esta situado en el centro de la bobina, posteriormente retrocede alejándose constantemente de la bobina esto produce que el flujo magnético disminuye nuevamente al valor inicial =0 (cero)

228

Observaremos a continuación que cuando el flujo aumenta la corriente inducida tiene un sentido tal que se opone a dicho incremento del flujo y cuando el flujo disminuye, el sentido de la corriente inducida es el opuesto al anterior.

Para la determinación y comportamiento de la Fem se realizaron lo cálculos de la ecuación de flujo magnético (A) y ecuación de Fem (B), es necesario indicar que estos datos son obtenidos en base a la simulación principal.

La Fem obtenida es la siguiente:

Fuente: Elaboracion propia.

Corresponde a la magnitud de Fem que se genera dada una velocidad determinada del imán, y cambiando que tan cerca está el imán de la bobina.

Cuando el imán está en centro de la bobina el flujo es máximo, pero la Fem tiene un valor =0 (cero).

Para calcular la Fem derivamos el flujo respecto del tiempo y lo cambiamos de signo: la velocidad v del imán es la derivada de la posición z del imán respecto del tiempo t.

229

Fuente: Elaboracion propia.

Resultados preliminares de la modelación según tabla primaria y secundaria Generacion de Energía VDC máximo 72,4 VDC promedio 59,2

Fuente: Elaboracion propia.

Ejemplo: Para generar 50VDC, se requieren aproximadamente 1 Boya GEMA.

230

PARAMETROS ELECTRICOS DE LA BOYA GEMA Para realizar los siguientes cรณmputos usaremos las variables definidas y resultados obtenidos en los cรกlculos de modelaciรณn para la Flujo y el Fem, a continuaciรณn un resumen.

Parรกmetros resumen segรบn tabla primaria Flujo y tabla segundaria Fem Parรกmetro R N f H v L ฯ D A R/m S

Descripciรณn Radio Bobina Cantidad de espiras en bobina Factor extensiรณn de cable en bobina Longitud Tubo Bobina Valor DC Promedio por Boya Largo Cable Resistividad Cobre Diรกmetro Cable Amperes (Mรกximo) Resistencia por metro Secciรณn Cable en mm2 Secciรณn Cable en m2

Resultado 0,050 3000 1,2 0,20 59,2 1131 0,00000002 1,29032 3,70 0,0131725 1,308 1,31E-06

Unidad m vueltas m Volts DC m Ohm/m mm A Ohm/m mm2 m2

Fuente: Elaboracion propia.

Para la determinaciรณn del diรกmetro de cable a utilizar se uso Cable Calibre 16 AWG con Esmalte (para 4A aproximadamente):

Fuente: http://www.bulkwire.com/wiregauge.asp Fuente: http://www.powerstream.com/Wire_Size.htm

Parรกmetros Adicionales Parรกmetro E Rb

Descripciรณn Fem inducida en boya Resistencia neta boya

Rc I T

Resistencia de carga equipo rectificador/inversor Corriente por boya Periodo de oleaje

Resultado

Unidad 59,2 V 14,90 Ohms

14,90 Ohms Amperes seg

Detalles

Resistencia de carga, contando el equipo rectificador, debe ser similar a Rb E/Rb

Fuente: Elaboracion propia.

231

Otros Parรกmetros Parรกmetro

Descripciรณn

Resultado

Cantidad de vueltas en una longitud de bobina

Pc Pb

Numero de capas de cable enrolladas Numero de capas esperada Aprovechamiento de bobina Resistencia Total del Cable Intensidad de Corriente Mรกxima Simulada por boya Sub-dimensionamiento del cable Potencia DC entregada hacia la carga objetivo Potencia DC perdida por el cable de bobina

Unidad

155 vueltas 19,4 20 96,8% 14,90 1,99 53,7%

capas capas Ohm A Watts Watts

Detalles vueltas disponibles en tubo bobinado capas de cable sobre tubo bobinado capas debe ser entre 50 y 100 debe ser menor a 3,7 A debe ser menor que 90 Rc*I^2 Rb*I^2

Fuente: Elaboracion propia.

A continuaciรณn se muestra el comportamiento de la potencia para distintos valores de Voltaje: e (V) T 0,0 3 59 3 118 3 177 3 237 3 296 3 355 3 414 3 473 3 532 3 592 3

N 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000

S B Rb Rc I (A) P (W) Pc (W) Pb (W) 1,31E-06 0 14,90 14,90 0,000 0,000 0,00 0,00 1,31E-06 45247 14,90 14,8977 1,986 117,487 58,74 58,74 1,31E-06 90493 14,90 14,8977 3,971 469,949 234,97 234,97 1,31E-06 135740 14,90 14,8977 5,957 1057,384 528,69 528,69 1,31E-06 180986 14,90 14,8977 7,943 1879,795 939,90 939,90 1,31E-06 226233 14,90 14,8977 9,929 2937,179 1468,59 1468,59 1,31E-06 271479 14,90 14,8977 11,914 4229,538 2114,77 2114,77 1,31E-06 316726 14,90 14,8977 13,900 5756,871 2878,44 2878,44 1,31E-06 361972 14,90 14,8977 15,886 7519,179 3759,59 3759,59 1,31E-06 407219 14,90 14,8977 17,872 9516,460 4758,23 4758,23 1,31E-06 452465 14,90 14,8977 19,857 11748,717 5874,36 5874,36

Fuente: Elaboracion propia.

El valor en negrita corresponde al valor producido por una boya

232

ESTIMACION DE LA POTENCIA GENERADA Para visualizar el modelo y los resultados obtenidos se elaboró un diagrama el cual representa los datos para 1 unidad de boya GEMA y otro diagrama para 30 unidades de boyas GEMA.

Circuitos Eléctricos Equivalentes Circuito para 1 (una) unidad de boya GEMA. Donde, Es importante señalar que existe una diferencia entre la resistencia de la boya (Rb) y la resistencia de carga (Rc), esta diferencia radia en que la Rb es la resistencia de los elementos electrónicos de la boya (cableado) y la Rc es la resistencia del elemento a ser conectado al Voltaje generado por la boya GEMA, la Rc se puede ajustar mediante equipos eléctricos: inversores transformadores y equipos de distribución de carga.

Rb= Resistencia neta boya Rc=Resistencia carga de equipo V Generado= Voltaje generado por una unidad GEMA.

Fuente: Elaboracion propia.

Circuito para 30 (treinta) unidades de boya GEMA. Rb= Resistencia neta boya Rc=Resistencia carga de equipo V Generado= Voltaje generado por 30 (treinta) unidades GEMA.

233

Fuente: Elaboracion propia.

Potencia Obtenida Se muestra una tabla resumen para estimar la potencia por carga para 30 unidades de boya GEMA. Resultados Obtenidos en Prueba Normal 0,2 =Velocidad imán [m/s] Calculo Final Descripción Resultado Numero de Boyas 30,00 Resistencia de Boyas en Serie 446,93 Resistencia de Carga 446,93 Resistencia Total 893,86 Voltaje Total de Boyas 1774,97 Corriente Total 1,99

Potencia Total por Carga

Unidad Boyas Ohms Ohms Ohms Volts DC Amperes

1762 Watts

Fuente: Elaboracion propia.

Esta potencia es la obtenida para 30 unidades de boyas GEMA, es importante indicar que corresponde a un comportamiento normal de imán, donde normal se define como velocidad del imán a 2 m/s Se logró obtener una Potencia Total por Carga para 30 unidades GEMA de 1800 Watts aproximadamente; con este valor podemos energizar elementos como: • 20 ampolletas de 100 W es decir una bodega de tamaño mediana, • 2 microondas, o • Una estufa eléctrica de características normales y estándar.

234

Dimensionado de Boya Generadora de Energia Mareomotriz (Boya GEMA) A continuacion se muestra el dimensionado general de una unidad de boya GEMA.

3,5m

3,0m

1,0m 0,3m 0,5m

2,5m

1,0m

Figura: Diagrama de dimensionado general.

Fuente: Elaboracion propia.

235

BOYA

Area Boya 0,5m

1,0m 0,2m

0,1m

Area Generador Lineal Area Sistema Hermetico

Figura: Diagrama de dimensionado vista superior.

Fuente: Elaboracion propia.

SOPORTE DE CONCRETO

RESORTE SOPORTE 1

1,0m

BOBINA

IMAN

SOPORTE 2 0,3m

Figura: Diagrama de dimensionado vista generador lineal.

Fuente: Elaboracion propia.

236

Sistema de generación de energía mareomotriz matricial “SGEMA” Este sistema contempla la utilización de un sistema de boyas GEMA en disposición matricial para ampliar el nivel de generación y aumentar la eficiencia de una boya GEMA, consiste en una plataforma que flota sustentada por 4 flotadores, dentro de la plataforma las boyas están dispuestas en forma matricial, el objetivo de esta estructura es regular la altura del nivel del mar con relación a las boyas GEMA para obtener una altura fija; se muestran imágenes a continuación.

Se puede utilizar SGEMA para incorporar por ejemplo 30 unidades de boya GEMA. Para incorporar 30 unidades de boya GEMA se necesitarían 4 matrices SGEMA.

Matriz Generador Lineal Sopor te Boya GEMA

Figura XX SGEMA

Flotador Matricial Figura. SGEMA, diagrama esquematico

237

Figura. SGEMA, vista realista

Figura. SGEMA, vista realista

Figura. SGEMA, croquis tridimensional

238

Evaluacion de Costos Proyecto: Boya generadora de Energia Mareomotriz (Boya GEMA) En est etapa se presenta una evaluacion de costos para la construccion de una boya generadora de energia mareomotriz (Boya GEMA); esta tabla solo muestra los costos por una unidad fabricada.

COSTOS DE MATERIALES POR UNIDAD GEMA (POR EL MANDANTE) Materiales Ítem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Material Plástico Imán (GL) Bobina (GL) Plumavit Soporte Metálico (GL) Silicona Cables Aluminio Tornillo Amarras Ladrillo Cemento Resorte Acero Soga y Alambre Fibra de Vidrio Espuma Pintura Esfera baja densidad Goma

21 22 23 24

Soporte 2 Tubo Pvc-p c10 Tapa gorro Pvc Tubo acero Vinilit

25 26 27 28 29 30 31 32

Soporte 1 Tubo acero fierro masiso Silicona Tapa gorro Pvc Tornillos Plancha acero Pernos de anclaje Esmalte extra sintético

Cantidad 1 3 1 1 2 1 5 1 100 50 50 6 2 1 20 20 1 2 1 1

Tipo Kg Unidad Unidad

kg Unidad Unidad Unidad Saco Unidad Kg m Lamina Unidad Galón 1mx1m (10Kg) 2mm

Precio $ 5000,00 15500,00 8900,00 5500,00 6800,00 2400,00 150,00 2200,00 3,00 5,00 150,00 15000,00 5000,00 1200,00 500,00 300,00 350,00 2600,00 49500,00 50600,00

Total ($) 5000,00 46500,00 8900,00 5500,00 13600,00 2400,00 750,00 2200,00 300,00 250,00 7500,00 90000,00 10000,00 1200,00 10000,00 6000,00 350,00 5200,00 49500,00 50600,00

1 1 1 1

50mmx6mt 50mm 20mmx2mmx6mt 250cc

3048,00 700,00 14500,00 1890,00

3048,00 700,00 14500,00 1890,00

1 1 5 1 200 1 4 1

40mmx2mmx6mt 1 1/2ft Tubos 50mm Unidad 3mm Unidad 1 galon

35650,00 8500,00 5750,00 700,00 5,00 25700,00 2350,00 15690,00 Total ($)

35650,00 8500,00 28750,00 700,00 1000,00 25700,00 9400,00 15690,00 461278,00

m Unidad

Fuente: Elaboracion propia.

239

COSTOS FIJOS DE OPERACIÓN (POR OPERACIONES, NO POR PARTE DEL MANDANTE) Estos son los materiales usados para la instalacion de la Boya GEMA, a continuación se detallan: Costos Fijos de Operación CFO Ítem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Herramientas y Equipos Alicate Cortante Alicate Universal Alicate de Punta Desatornillador Remachadora Soldadora Taladro Dremel Martillo Pistola de Silicona Tester Cincel Pala Manguera Plana Sierra de Fierro Otros

Cantidad 2 2 2 3 1 1 2 1 1 1

Valor Unitario ($) 2000,00 2500,00 2500,00 1350,00 3450,00 180000,00 45000,00 65000,00 1250,00 1000,00

2 1 1 1 1 1 1

35000,00 550,00 3500,00 2500,00 2470,00 1670,00 10000,00 Total ($)

Valor Total ($) 4000,00 5000,00 5000,00 4050,00 3450,00 180000,00 90000,00 65000,00 1250,00 1000,00 70000,00 550,00 3500,00 2500,00 2470,00 1670,00 10000,00 449440,00

Fuente: Elaboracion propia.

240

COSTOS FIJOS DE FABRICACION (POR INSTALACION, POR PARTE DEL MANDANTE) Estos son los materiales usados para la instalacion de la Boya GEMA, a continuación se detallan: Costos Fijos de Fabricación CFF Ítem 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Remaches Hoja de Sierra Soldadura Brocha Lijas para Fierro Silicona Pintura Artículos Eléctricos Artículos Electrónicos Artículos de Pintura Elementos de Seguridad Artículos de Aseo Artículos de Construcción Brocas de 8mm Brocas de 13mm Otros

Cantidad 100 2 2 2 2 2 2 1 1 1

Valor Unitario ($) 1340,00 2000,00 3500,00 450,00 235,00 680,00 4000,00 20000,00 20000,00 20000,00

8 8 1 2 2 1

20000,00 20000,00 20000,00 2500,00 2500,00 20000,00

Valor Total ($) 134000,00 4000,00 7000,00 900,00 470,00 1360,00 8000,00 20000,00 20000,00 20000,00

Total ($)

160000,00 160000,00 20000,00 5000,00 5000,00 20000,00 585730,00

Fuente: Elaboracion propia.

COSTOS DE SERVICIOS DE INSTALACION (POR PARTE DEL MANDANTE) El personal es por instalacion de sistema de generacion.

Mano de Obra y HH Ítem 1 2 3 4 5 6 7

Tipo Especialista Ayudante Ingeniero Especialista Eléctrico Soldador Pintor Electrónico Otros

Días 120 100 30 30 15 30 120

N° de Trabajadores 6

2

Total HH 720

6 6 6 6 6 6

1 1 1 1 1 2

600 180 180 90 180 720

HH diario

Valor HH ($) 1300,00

Valor Día HH ($) 7800,00

Valor Total($) 936000,00

2500,00 2200,00 1800,00 1700,00 2000,00 1500,00

15000,00 13200,00 10800,00 10200,00 12000,00 9000 Total ($)

1500000,00 396000,00 324000,00 153000,00 360000,00 1080000 4749000,00

Fuente: Elaboracion propia.

241

COSTO DEL PROYECTO (POR EL MANDANTE) Los costos generales del proyecto son lo siguientes; es importante señalar que se agrega un 2% de incertidumbre al proyecto y un 5% de depreciación sobre los CFO por temas relacionados a “desgaste natural” de los elementos.

Total General Ítem 1 2 3 4 5 6

Totales Total Materiales Total Mano de Obra y HH. Total Costos Fijos Operación Total Costos Fijos Fabricación Depreciación por Desgaste (D) Costos Fijos Total (CFT) Total ($)

Detalle Se detalla en tabla de Materiales Se detalla en Mano de Obra y HH. Se detalla en tabla CFO Se detalla en tabla CFF No aplica CFT=CFF+D*CFO Item1+Item2+Item6 Porcentaje de Incertidumbre Total General ($)

Valor ($) 461278,00 4749000,00 449440,00 585730,00 5% 608202,00 5818480,00 2% 5934849,60

** Se asume que por cada proyecto se pierde un 5% de los equipos por Depreciación, básicamente por temas relacionados a desgaste de piezas y elementos.

Fuente: Elaboracion propia.

COSTO DEL PROYECTO (POR EL MANDANTE) – 30 UNIDADES GEMA. Para hacer consitentes nuestros resultados obtenidos anteriormente realizaremos una analisis de los tiempo y costos para 30 unidades de boya Gema.

Los costos generales del proyecto son lo siguientes; es importante señalar que se agrega un 2% de incertidumbre al proyecto y un 25% de depreciación sobre los CFO por temas relacionados a “desgaste natural” de los elementos.

La cantidad de dias para el proyecto son 250 dias, para los dias de: Levantamiento, Especificaciones del Sistema y Exigencias Medioambientales los estudios y cálculos se realizan solo una vez para solo una unidad de boya GEMA, donde los dias se incrementaron fueron en: Construcción del Generador de Energía Mareomotriz (GEMA) de 30 dias a 91 dias otra tarea que tambien se incremento al hacer las estimaciones para 30 unidades GEMA fue: Revisión, Pruebas y Correcciones de 10 dias a 27 dias, finalmente la tarea que lógicamente debe aumentarse fue: Instalación de GEMA de 18 a 70 dias.

A continuacion las cartas gantts para comparacion y sus respectivos costos asociados para 1 y 30 unidades GEMA.

242

Tareas y Tiempos para 1 (una) unidad de Boya GEMA. Fuente: Elaboracion propia.

Tareas y Tiempos para 30 (treinta) unidades de Boyas GEMA. Fuente: Elaboracion propia.

243

Ítem 1 2 3 4 5 6 7

Tipo Especialista Ayudante Ingeniero Especialista Eléctrico Soldador Pintor Electrónico Otros

Días 250

Mano de Obra y HH (30 Unidades) N° de Total HH diario Trabajadores HH 6 2 1500

250 180 100 180 235 250

6 6 6 6 6 6

1 1 1 1 1 2

1500 1080 600 1080 1410 1500

Valor HH ($) 1300,00

Valor Día HH ($) 7800,00

Valor Total($) 1950000,00

2500,00 2200,00 1800,00 1700,00 2000,00 1500,00

15000,00 13200,00 10800,00 10200,00 12000,00 9000 Total ($)

3750000,00 2376000,00 1080000,00 1836000,00 2820000,00 2250000 16062000,00

Fuente: Elaboracion propia.

Total General (30 Unidades) Ítem

Totales

Detalle

1

Total Materiales

Se detalla en tabla de Materiales

13.838.340,00

2

Total Mano de Obra y HH.

Se detalla en Mano de Obra y HH.

16.062.000,00

3

Total Costos Fijos Operación

Se detalla en tabla CFO

449.440,00

4

Total Costos Fijos Fabricación

Se detalla en tabla CFF

585.730,00

5

Depreciación por Desgaste (D)

No aplica

6

Costos Fijos Total (CFT)

CFT=CFF+D*CFO

698.090,00

Total ($)

Item1+Item2+Item6

30.598.430,00

Porcentaje de Incertidumbre Total General ($)

Valor ($)

0,25

0,02 31.210.398,60

Fuente: Elaboracion propia.

244

Carta Gantt Proyecto: Boya Generadora de Energia Mareomotriz (Boya GEMA) A continuacion un resumen de las etapas del proyecto, posteriormente se detallara cada una de estas tareas. Este es el desglose para una unidad de Boya GEMA.

Figura: Resumen de actividades en Carta Gantt “Proyecto boya GEMA�

Fuente: Elaboracion propia.

245

Especificaciones del sistema Se realiza un estudio en base a los datos obtenidos en la etapa de levantamiento del proyecto, para incorporar detalles no contemplados en el prototipo diseñado, realizando ajustes al prototipo diseñado según las condiciones del lugar esta etapa tiene el nombre de Exigencias Medioambientales.

Figura: Especificaciones del sistema en Carta Gantt “Proyecto boya GEMA” Fuente: Elaboracion propia.

246

Construcción del Generador de Energía Mareomotriz Se incorporar ajustes al diseño, posteriormente se construye y finalmente se realizan pruebas y correcciones. Representa una visual estructurada de la construcción de los distintos componentes y subcomponentes del generador de energía mareomotriz.

Figura: Construccion del generador en Carta Gantt “Proyecto boya GEMA” Fuente: Elaboracion propia.

247

Instalación y Mantenimiento de GEMA Finalmente se detallan las etapas de instalación de la boya generadora de energía mareomotriz, contemplando una etapa de marcha blanca y sus posteriores mantenciones.

Figura: Instalacion y Mantencion en Carta Gantt “Proyecto boya GEMA” Fuente: Elaboracion propia.

248

CAPÍTULO 6 RESULTADOS Resultados obtenidos en la modelación A continuación se muestra un análisis de sensibilidad delos resultados obtenidos previamente. Este análisis sirve para tener un espectro completo de la generación en potencia obtenida y hacer estimaciones del comportamiento del modelo para distintos escenarios. Para efectos de estimaciones utilizamos valores de condición normal de 0,2 m/s, condición alta de 0,3m/s, condición baja de 0,1m/s.

Resultados Obtenidos en Prueba Normal 0,2 =Velocidad imán [m/s] Calculo Final Descripción Resultado Numero de Boyas 30,00 Resistencia de Boyas en Serie 446,93 Resistencia de Carga 446,93 Resistencia Total 893,86 Voltaje Total de Boyas 1774,97 Corriente Total 1,99 Potencia Total por Carga 1762

Unidad Boyas Ohms Ohms Ohms Volts DC Amperes Watts

Fuente: Elaboracion propia.

Resultados Obtenidos en Prueba Alto 0,3=Velocidad imán [m/s] Calculo Final Descripción Resultado Numero de Boyas 30,00 Resistencia de Boyas en Serie 446,93 Resistencia de Carga 446,93 Resistencia Total 893,86 Voltaje Total de Boyas Corriente Total Potencia Total por Carga

2662,46 2,98 3965

Unidad Boyas Ohms Ohms Ohms Volts DC Amperes Watts

Fuente: Elaboracion propia.

Resultados Obtenidos en Prueba Baja 0,1=Velocidad imán [m/s] Calculo Final Descripción Resultado Numero de Boyas 30,00 Resistencia de Boyas en Serie 446,93 Resistencia de Carga 446,93 Resistencia Total 893,86 Voltaje Total de Boyas Corriente Total Potencia Total por Carga

887,49 0,99 441

Unidad Boyas Ohms Ohms Ohms Volts DC Amperes Watts

Fuente: Elaboracion propia.

249

Se observa que cuando el mar esta en calma se genera menor cantidad de potencia:400 Watts aproximadamente –esto equivale a la potencia consumida por un monitor LCD, mientras que cuando el mar esta tempestuoso la generación de potencia es mayor: 4 Kilowatts –esto es equivalente a iluminar un muelle de 100 metros con luces de halógeno, con 1 lámparas por cada 25 metros.

Resultados con Variables Estocásticas A continuación se presenta un resultado realista con valores de oleaje con valores entre 0,05 y 0,3m/s.

Se ha realizado una estimación del comportamiento del mar mediante una variación estocástica de la variable v para representar un mar en tempestad natural.

La siguiente grafica muestra los resultados obtenidos. Se muestran curvas de tendencias para niveles de máxima y mínima generación de Fem, la curva central representa la generación media, finalmente la curva caótica representa un caso de valores aleatorios entre las situaciones oleaje en calma y oleaje tempestuoso.

51,8: VDC promedio

250

Resultados Obtenidos en Prueba Estocástica 0,05 hasta 0,3=Velocidad imán [m/s] Cálculo Final Resultado Numero de Boyas 30,00 Resistencia de Boyas en Serie 446,93 Resistencia de Carga 446,93 Resistencia Total 893,86

Descripción

Voltaje Total de Boyas Corriente Total Potencia Total por Carga

1553,10 1,74 1349

Unidad Boyas Ohms Ohms Ohms Volts DC Amperes Watts

Fuente: Elaboracion propia.

Resumen de resultados obtenidos en promedio de niveles; Normal, Alto, Bajo y Estocástica: Tabla Comparativa de Resultados Obtenidos Item

Descripción

Resultado

1

Voltaje Total de Boyas Normal

1774,97

Unidad Volts DC

2

Corriente Total Normal

1,99

Amperes

3

Potencia Total por Carga Normal

1762

4

Voltaje Total de Boyas Alto

Watts Volts DC

5

Corriente Total Alto

2,98

Amperes

6

Potencia Total por Carga Alto

3965

7

Voltaje Total de Boyas Bajo

Watts Volts DC

8

Corriente Total Bajo

0,99

Amperes

9

Potencia Total por Carga Bajo

441

Watts Volts DC

2662,46

887,49

10

Voltaje Total de Boyas Estocástica

11

Corriente Total Estocástica

1553,10 1,74

Amperes

12

Potencia Total por Carga Estocástica

1349

Watts

Nivel Normal

Alto

Bajo

Randomico

Fuente: Elaboracion propia.

251

Comparación de resultados obtenidos en modelacion

Fuente: Elaboracion propia.

El siguiente gráfico muestra los valores alcanzados para: • • • •

Potencia Normal con una velocidad uniforme para el imán de 0,2 m/s.

Potencia Alta con una velocidad uniforme para el imán de 0,3 m/s.

Potencia Baja con una velocidad uniforme para el imán de 0,1 m/s.

Potencia Randomico con una velocidad uniforme para el imán de 0,05 m/s hasta 0,3 m/s.

• Potencia Promedio obtenida es Potencia Promedio General 1916,5 [W] Watts.

252

Observamos que al incrementar H Longitud de la Bobina a 0,3 m la potencia para 30 (treinta) boyas la Potencia Total por Carga es 316 Watts, lo cual es un bajo resultado debido a que la bobina pierde concentración de flujo magnético, aún modificando la longitud del imán L Longitud del Imán a 0,3 m.

Se esperaría una compensación de las longitudes entre H y L, lo cual no ocurrió provocando que la potencia para 30 (treinta) boyas fuera una Potencia Total por Carga de 13 Watts, es por esta razón que fue un acierto haber probado con valores para H y L de 0,2 m. Esta potencia no es suficiente para alumbrar un espacio de trabajo.

La máxima capacidad de generación sin provocar inconsistencias naturales de los materiales utilizados y capacidades de aprovechamiento determinadas, tampoco subdimensionar los valores establecidos por tablas no violando matemáticamente el modelo es para H (longitud de bobina) y L (longitud de imán) iguales a 0,2m, con una velocidad uniforme de imán v igual a 0,3 m/s.

Finalmente un valor para el radio de bobina igual a 0,060 m, la potencia total por carga es de 6000 Watts aprox., con una corriente de 3,3 Amperes y una valor de voltaje por 30 (treinta) boyas GEMA de 3500 Volts DC (!).

253

En resumen a mayor cantidad de boyas GEMA la potencia es directamente proporcional operando en nivel normal es decir 0,2 m/s para v donde v es la velocidad uniforme del imán.

Figura: Potencia por Carga en Watts.

Fuente: Elaboracion propia.

Potencia en Relación a Numero de Boyas Numero de Potencia por Carga Boyas [W] 1 58,74 15 881,15 30 1.762,31 120 7.049,23

Fuente: Elaboracion propia.

Existen dos aspectos que mejorar en el proceso de diseño.

Agregar más variables de ingeniería oceanográfica al modelo, lo cual se escapa a los alcances del proyecto, todo esto para aumentar la fiabilidad y eficiencia del modelo, esto es un punto aparte de diseño.

Finalmente agrupar estos temas y variables oceanográficas para hacer de este modelo un sistema complejo de modelación que incluya todos los aspectos ya mencionados.

254

Evaluación de la Solución Aspectos sobre implementación y especificaciones.

Figura 145 Posible método de anclaje para diseño.

Este modelo se puede montar en un muelle como se ve en la figura, con el fin de proporciona energía eléctrica al habitad de personas que viven y trabajan en inmediaciones del mar. También seria ideal el uso en las bases de las plataformas petroleras, ya que por su posición mar adentro facilitarían el uso de este sistema.

Las ventajas que se pueden observar son: • • • • •

Auto renovable No contaminante Silenciosa Bajo costo de materia prima Disponible en cualquier clima y época del año

255

Posibles lugares de instalación: • • • • • •

Muelles Paseos costeros Puertos Plataformas petroleras Instalaciones pesqueras Plataformas de Investigación Oceánica

Comentarios, el sistema de anclaje y sujeción para mástiles, maderos no ha sido diseñado, representa una posible solución para sistemas de sujeción, aspectos en relación con el material utilizado no han sido probados, ni testeados. El emplazamiento no fue una variable de estudio, las ideas expuestas en este documento representan solo ideas, no han sido estudiadas sus factibilidades de utilización.

Un ejemplo. Utilización en un muelle.

En este sistema el dispositivo puede ser anclado mediante soportes u correas se sujeción al pilar del muelles, puede anclarse un dispositivo por cada pilar del muelle.

Figura 146: diseño de implementación en muelle.

Figura 147: diseño de implementación en muelle versión 2.

Figuras en detalles.

Figura 148: Vista muelle lejana.

256

Figura 149 Vistas muelle cercana.

257

Figura 150: Vista dispositivo cercano.

Figura 151: Vista muelle y dispositivo cercano.

258

DISCUSIÓN Es claramente importante dedicar mayor consolidación a aspectos relacionados con el generador lineal como lo siguiente, • Incrementar la velocidad del movimiento vertical para aumentar la producción de energía eléctrica, mediante métodos y formas no convencionales.

• Incrementar el sistema de flujo magnético a través de un modelo más complejo para la disposición de imanes con esto se lograra aumentar la producción de energía eléctrica.

• Diseñar una morfología y disposición de imanes para incrementar el flujo magnético.

• Diseñar una bobina de una determinada longitud y densidad que permita aumentar el flujo magnético.

• Incorporar mayores variables de mecánica de fluidos o ingeniería oceanográfica que permitan sintonizar finamente el modelo, acoplando control y variables físicas de oceanografía.

259

CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Se ha logrado diseñar un prototipo generador de energía mareomotriz. GEMA es una unidad modular de generación individual, simple de instalar, bajo costo, silenciosa, de reducido impacto ambiental pero es de reducido alcance en términos de potencia.

SGEMA es una solución matricial. Es un arreglo de unidades GEMA, de mayor capacidad, adaptable al nivel de oleaje. GEMA y SGEMA pueden trabajar en conjunto como una solución integral entregando disposición, orden y unidad.

GEMA esta pensado para ser instalado en recintos y lugares pequeños aparcados en donde una disposición en arreglo es compleja.

SGEMA permite una instalación agrupada, completa y rápida, prefabricada donde el espacio no es una restricción donde el riesgo de impacto ambiental es menor

Cuestiones técnicas Elementos Estructurales La estructura es una estructura de acero en lo que corresponde a soportes, la base que mantiene la estructura debe ser de concreto para darle la estabilidad y soporte a la estructura en general estas estructuras se pueden construir a nivel local utilizando técnicas y procedimientos de construcción disponibles. Recomendamos una validación y estudio de fuerzas de los materiales usados para la construcción de este modelo, para esta certificación de los elementos de fabricación se deben utilizar las normas de construcción en borde costero. Es de recordar que el modelo fue diseñado para ser modular para así evitar una inundación completa de la boya.

Existen riesgos asociados con el generador lineal y las variables de ingeniería oceanográfica que pueden ser agregados en diseños futuros para entregar todas las variables y crear un diseño más complejo de simular. También los riesgos con respecto con la introducción de nuevos elementos al modelo como mas soportes es decir cambiar la masa pero estos conceptos de diseño pueden ser abordados y mitigados en futuros diseños, nosotros recomendamos realizar mas pruebas de diseño, mas simulaciones incorporando todas las variables de mecánica de fluidos, ingeniería oceanográfica, para optimizar los distintos sistemas y el modelo en general, es necesario llevar a cabo un estudio mas detallado de las variables del mar y enfocarse a un determinado lugar o emplazamiento para instalar el prototipo.

260

Rendimiento La onda de salida Fem fue probada con la simulación es una onda sinusoidal, pero existe incertidumbres en las predicciones de rendimiento en el generador lineal por las razones ya mencionadas en relación a incrementar el Flujo Magnético. El sistema solo se ha simulado y incluyendo todas las variables globales en detalle, las interacciones hidrodinámicas no fueron agregadas al problema de diseño, nosotros recomendamos realizar más pruebas y simulaciones teóricas para abordar estas cuestiones y tratar de reducir las perdidas y fallas posibles.

Operación y Mantenimiento El modelo fue pensado para reducir los costos por mantención, porque es un dispositivo costero que posee su sistema electromagnético de generación de energía eléctrica en la parte superior alejado del nivel del mar, esto disminuye los costos con relación a la mantención preventiva , correctiva y inspecciones programadas, básicamente por lo siguiente, no es necesario adentrarse en el mar para realizar mantención los costos por viaje y tiempo son mucho menos además de los riesgo para el personal de mantención bajan, el monitoreo remoto y control de otros elementos oceanográficos aun no han sido diseñados.

En este modelo no existen preocupaciones provenientes para los componentes sumergidos, porque el modelo no incluye partes, ensamblajes o elementos sumergidos, produciendo un menor costo y riesgo.

Además como es un diseño modular donde todas sus piezas son reemplazables en módulos esto permite que el prototipo no falle al 100% y evitando una inundación completa de la boya y reemplazando las partes o componentes defectuosos.

Despliegue y recuperación Como es un dispositivo de borde costero no es necesario agregar elementos remolcadores o barcos para realizar determinadas mantenciones, el dispositivo es relativamente pequeño, un elemento aun no pensado es determinar la ubicación de los laboratorios de revisión, estos deben estar cercanos al lugar de despliegue, para el traslado puede utilizarse un vehículo de características normales y la construcción del bloque de concreto se realiza previo a la disposición del dispositivo en el borde costero, luego de esta etapa existen acciones de mitigación de impacto visual como paseos costeros, u montaje en muelles etc.

Estado de desarrollo Es un modelo inicial fase 1. MIF1 Boya GEMA.

261

MOTIVACION FINAL Sin duda estamos muy conformes con lo logrado, mas allá de los aspectos de simulación, modelamiento matemático y físico sino que en aspectos a la amplitud que logro el proyecto.

Nuestro proyecto es y fue pensado para cambiar la mentalidad y reformular hacia donde vamos y cuales son nuestros objetivos a largo plazo como país, deseamos compartir la información totalmente, que para este tipo de proyectos es muy escasa y esta dispersa, deseamos que el documento sea un inicio para futuras ideas innovadoras y estaremos muy contentos si futuros proyectos utilizan esta información para crear mejoras en el área de la energía mareomotriz, esperamos que este tipo de energías sea conocido por nuestros niños para así crear y tener moldeadas ideas en la adultez.

Comparte estos conocimientos e información con las personas que te rodean.

Después de realizar este trabajo, llegamos a la conclusión de que hay que tener en cuenta varios puntos o conceptos importantes para tener una idea clara sobre el tema.

Lo primero que consideramos, es que hay que fomentar el uso de la energía mareomotriz, como así también contar con el uso de todas las energías limpias o alternativas, como la solar y la eólica, entre otras; lo más importante de este punto es terminar de una vez con el uso de combustibles fósiles, como ya sabemos, es uno de los causantes del calentamiento global.

Si el hecho de realizar una conclusión significa hacer un resumen sobre nuestro tema, podemos decir que el aprovechamiento del agua como recurso natural, implica tener en cuenta los factores que participan como los que están en este trabajo; lo mas relevante del uso de la energía del mar, es que no contamina. También podemos incluir en este pequeño resumen es que, si bien la inversión de capitales que hay que realizar es grande y que nuestro país, tiene mucho de importante por su ubicación geográfica; a la vez, el uso de energías limpias, conforma una fuente de ahorro a largo plazo.

Se considera importante destacar el tema del calentamiento global (en la parte de información periodística) ya que es un tema actual y verdaderamente preocupante.

También consideramos necesario ser sinceros y aceptar que nos pareció buena idea relacionar todas las noticias con nuestro tema y globalizar todo en la siguiente conclusión final.

Los combustibles fósiles, son los principales productores de energía, también, como hemos dicho, son responsables en gran parte del calentamiento de la tierra. Si tomamos como base el uso de energías renovables, no sólo evitaríamos la contaminación, sino que también ahorraríamos mucho dinero.

Si tenemos en cuenta que el petróleo, además, constituye un factor sumamente contaminante, solamente tenemos que ver la información sobre los derrames en diferentes ríos y mares; y los hechos desastrosos que causa, no solo en el agua, sino también en la flora y en la fauna que allí habitan.

262

Lo fundamental es crear una conciencia, mostrar una visión, una alternativa para generar energía, para así evitar que nuestro ambiente se vea afectado.

Estamos muy felices y contentos con el inicio, desarrollo, diseños , pruebas , análisis y conclusiones realizadas que permiten generar nuevas ideas, nuevas teorías, nuevos pensamientos a las personas que utilicen esta información, pero estamos aun mas felices con la “semilla que hemos plantado en la mente de usted como un propagador de información y lector”.

263

CAPÍTULO 8 BIBLIOGRAFIA Libros, Artículos, Revistas y Documentos Hugh Rudnick, Pontificia Universidad Católica de Chile, Generación Mareomotriz, Mercados Eléctricos.2007 Pedro Fernández Díez., Universidad De Cantabria, Departamento De Ingeniería Eléctrica y Energética, Energía Mareomotriz, 2006.

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www.wavegen.com www.energetech.com.au www.wavegen.com www.waveswing.com. www.waveplane.com www.seavolt.com www.aguaenergygroup.com www.ceflot.com www.hidroflot.com

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Fin. Desde Agosto del 2007 hasta Agosto del 2009.

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Hoja en Blanco dejada intencionalmente.

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