Generación de electricidad a través de las mareas

La generación de electricidad a través de las mareas es muy similar a la generación hidroeléctrica, excepto que el agua no recorre un solo sentido, sino que va y viene (flujo y reflujo) y por lo tanto esto debe tenerse en cuenta al momento de desarrollar los generadores. Los sistemas de generación más simples de plantas de mareas, conocidos como sistemas de generación de reflujos, utilizan un dique, conocido como barrera, a lo largo de un estuario. Las compuertas en la barrera (ver Figura 2) permiten que la cuenca de la marea se llene durante las mareas altas que entran (mareas flujo) y que el agua pueda salir a través del sistema de turbinas durante la marea de salida (conocida como marea de reflujo). Existen otras alternativas de sistemas de generación a través de las mareas de flujo, que generan energía de las mareas entrantes, pero tienen menos ventajas que los sistemas  de generación de reflujo. 

También son viables los sistemas de generación de doble vía, que generan energía tanto de las mareas de flujo, como de las de reflujo.

Turbinas utilizadas en las estaciones de energía de barrera de mareas

Son posibles muchas configuraciones diferentes de turbinas. Por ejemplo, la planta de marea de La Rance, cercana a St Malo en la costa de Francia, utiliza una turbina de bulbo (Figura 2). En los sistemas de turbina de bulbo, la turbina está completamente inmersa, haciendo del mantenimiento algo complicado, ya que se debe frenar el  flujo del agua a través de la turbina para lograr acceder a ella. Las turbinas de borde (figura 3) como la de Straflo utilizada en Anápolis Royal en Nueva Escocia, reducen este tipo de problemas ya que el generador está montado en la barrera, en los ángulos rectos de las hélices de  la turbina. Desafortunadamente, el rendimiento de este tipo de turbinas es difícil de regular y no son aptas para el uso de bombeo. Se ha propuesto el uso de turbinas tubulares en el projecto de mareas de Severn en el Reino Unido. En este tipo de organización (Figura 4), las hélices están conectadas a un largo eje y orientadas en un ángulo tal que permite que el generador se ubique sobre la barrera y por lo tanto sea fácilmente accesible para los controles de mantenimiento.

Tendencias en las tecnologías de generación

Ya han pasado más de treinta años desde que la estación de energía de mareas más grande del mundo fue construida en el Estuario La Rance en Francia. De 240 MW es mucho más grande que la estación de Anápolis Royal, Canadá de 20 MW que fue terminada en 1984 y los sistemas más pequeños (menos de 500 kW) de la Bahía de Kislaya en Jagxia Creek, China, terminados al mismo tiempo que el proyecto Le Rance.

La preocupación que han generado los efectos sobre el medio ambiente de las barreras de mareas desde la construcción de estación de energía de La Rance ha llevado al desarrollo de tecnologías que buscan producir un impacto menor en el medio ambiente. Dos áreas clave de desarrollo han sido las vallas de mareas y las turbinas (también conocidos como molinos de mareas).

Vallas de mareas

Las vallas de mareas se componen de un número de turbinas de eje vertical que se montan sobre una estructura de valla, conocida como caisson. Se forma una estructura que bloquea por completo el canal, forzando al agua a pasar entre ellos como lo muestra la Figura 5.

A diferencia de las estaciones de energía de barrera, estas vallas pueden ser utilizadas sin cuencas confinadas, como en el canal entre tierra firme y una isla cercana, o entre dos islas. Como resultado, las vallas de mareas tienen un impacto mucho menor en el ambiente, ya que no requieren la inundación de una cuenca, y son significativamente más económicos de instalar. Las vallas de marea también tienen la ventaja de poder generar electricidad una vez que los módulos iniciales están instalados, a diferencia de los sistemas de barrera que sólo generan energía una vez que están completamente instalados. Sin embargo las vallas de marea no están libres de efectos sobre el medio ambiente y la sociedad, ya que todavía se requieren la estructura de caisson que puede modificar la migración de animales marinos de gran envergadura y desviar las rutas de navegación de barcos.

La compañía Blue Energy estaba planeando construir una valla de marea de 2.2 GW que utiliza la turbina Davis en el Canal de San Bernardino en las Filipinas. El proyecto, con un costo estimado de U$S 2,8 billones, está actualmente en espera debido a la inestabilidad política de la región (Revista Powerline, 2003)

Turbinas de mareas

A pesar de que fueron propuestas poco después de la crisis de petróleo de los ’70, las turbinas de mareas sólo se convirtieron en una realidad en los últimos cinco años, cuando una turbina de “prueba de concepto” de 15kW fue operada en el Lago Linnhe, Escocia. Similar a una turbina de viento de eje horizontal (ver Figuras 7 y 8), las turbinas ofrecen ventajas significantes sobre los sistemas de barrera y de vallas, incluyendo menores efectos nocivos sobre el medio ambiente.

Las turbinas de mareas utilizan las corrientes de mareas que se mueven con velocidades entre 2 y 3 m/s (4 a 6 nudos) generando entre 4 y 13 kW/m2. Una corriente de rápido movimiento (>3 m/s) puede producir daños en las hélices de la misma forma que un vendaval de gran fuerza puede dañar a los generadores de turbina de viento tradicionales, mientras que a velocidades menores no generan beneficios económicos.

La figura 9 es una fotografía de las turbina de prototipo Turbinas de Corriente Marinas (MCT’s) de 300 kW “SeaFlow” existente, que es la primera turbina de marea offshore, instalada en Lynmouth, Devon en mayo del 2003.

Se ha informado de la instalación de otra turbina de mareas experimental en Kvalsundet, al sur de Hammerfest en Noruega, que comenzó a operar en noviembre del 2003. Según información suministrada, la turbina de energía de mareas instalada generaría un máximo de 300 kW a la velocidad máxima de la corriente de 2.5 m/s (Hammerfest STRØM AS, 2002)

Lagunas de mareas

La generación de energía de mareas offshore (“lagunas de mareas”) es el nuevo acercamiento a la conversión de energía de mareas que resuelve los problemas ambientales y económicos de la tecnología más conocida de “barrera de mareas”. Las lagunas de mareas utilizan una estructura de cercado utilizando  montículos de escombros y equipos de generación hidroeléctrica low – head situados a una milla o más de la costa, en un área de gran rango de mareas (ver Figura 10). Los sitios llanos de mareas de poca profundidad son los más económicos. Las estructuras de cercado de múltiples células proveen factores de alta carga (alrededor de 62%) y tienen la flexibilidad de manejar la curva de salida de energía, proveyendo energía en respuesta a las señales de precio de demanda.

Energía de mareas alrededor del mundo

Actualmente hay algunas barreras de gran escala en operación alrededor del mundo, incluyendo la turbina de bulbo de 240 MW en La Rance, Bretaña (ver Figuras 12 y 13), Francia y la planta de Anápolis Royal, Nueva Escocia, Canadá de 20 MW.

El proyecto experimental de energía de mareas de La Rance (Bretaña, Francia) de 240 MW fue comisionado en 1966. Esta planta (operada por Electricite de Francia) está equipada con 24 generadores de turbina del tipo de bulbo. Las turbinas miden 5.35 mt de diámetro con generadores de 10 MW. Estos equipos están diseñados para generar energía ya sea con la marea de entrada, como con la de salida, así como también para bombear agua dentro o fuera de la cuenca durante períodos de mareas bajas, y para servir como orificios, permitiendo que el agua pase dentro o fuera de la cuenca. La planta, por lo tanto, puede, y muchas veces lo hace, operar como una planta de cuenca alta individual, generando energía con la marea de reflujo. Contando con la gran versatilidad de este equipo de generación de turbina, la planta también puede operar perfectamente como una planta de cuenca baja individual, generando energía durante la marea de entrada. Además puede operar como una planta de doble efecto de cuenca individual, generando energía tanto con las mareas de entrada como con las de salida (flujo y reflujo). (Wilmington Media Ltd, 2004).

La planta de energía de mareas piloto de Annapolis en la Bahía de Fundy en la costa de Nueva Escocia sobre el Atlántico en Canáda, utiliza generadores de turbina del tipo de borde (Straflo) con un diámetro de 7.6 mt y un generador de 20 MW de capacidad. Es una versión moderna de la turbina de flujo axial con el generador de tipo de borde, patentada por Leroy Harza en 1919. Esta planta de cuenca alta individual fue inaugurada en 1984 y ha estado funcionado exitosamente desde ese momento (Wilmington Media Ltd, 2004).

Hacia el fin de 1984, existían ocho plantas de energía de mareas en China. Desde 1984, cuatro de estas plantas fueron cerradas. La planta de energía de mareas experimental de Jiangxia está ubicada en la provincia de Zhejiang, a aproximadamente 200 km al sur de Hangzhou. Esta planta fue construida durante la estación seca sobre el terraplén derecho, detrás de los cofferdams, y opera con doble efecto, generando energía tanto con las mareas de entrada como con las de salida. La primera unidad de bulbo de 500 kW fue comisionada en mayo de 1980, y la segunda, una unidad de 600 kW, en junio de 1984. Hacia el fin de 1985, cinco unidades estaban operando. La tercera, cuarta y quinta unidades tienen una capacidad calculada de 700 kW. La capacidad instalada con las cinco unidades asciende a 3200 kW. La estructura de represa, originalmente construida como parte de un proyecto de avance de tierras, tiene cinco aberturas de 4.2 mt de altura y 3.3 mt de ancho, que se controlan con compuestas de hormigón reforzado. El nivel más alto de la cuenca está limitado a 1.2 mt. Aproximadamente 3.8 km2 de terreno fueron recuperados en la cuenca sobre 1.2 mt, y fueron utilizado para plantar árboles naranjeros, caña de azúcar, algodón y arroz. La zona inter – marea de la cuenca con un área de 1.2 km2 se utiliza para el cultivo de ostras y la pesca de almejas. El área de la cuenca con el menor nivel de agua es de 0.8 km2.  Esta planta está todavía en servicio, produciendo 6 GWh de energía por año (Wilmington Media Ltd, 2004).

La planta de energía de mareas de Shashan comenzó como una planta de cuenca alta individual. Comenzando con una turbina de madera, la planta proveía energía mecánica para el molido de granos. En 1964, la turbina de madera fue reemplazada por un runner de acero con un generador de 40 kW. La planta produjo 0.1 GWh en 1984, que fueron utilizados para irrigación. Después fue cerrada. (Wilmington Media Ltd, 2004).

La planta de energía Asían es la única planta con cuencas conectadas en existencia en el mundo, similar a la que se propuso para la región de Derby en Australia. Esta planta posee cuencas altas y bajas, con la planta de energía entre las dos cuencas, generando energía del agua que fluye de la cuenca alta hacia la cuenca baja.

La plata está ubicada en la Isla Maoyan en la provincia de Zheijiang, proveyendo de energía a una comunidad aislada de 760 familias. La planta fue diseñada para dos unidades de 75 kW de las que sólo se instaló una, y fue comisionada en 1975. Esta unidad opera actualmente. La energía es utilizada en parte para bombear agua fresca en la reserva comunitaria,  tanto para uso doméstico como para irrigación. La planta ha sido mejorada, y tiene una capacidad instalada de 0.25 MW, produciendo 0.34 GWh por año (Wilmington Media Ltd, 2004).

El 6 de enero de 2006, comenzó a operar la planta de energía de mareas más reciente de China, en la región de Daishan en la provincia de Zhejiang. La estación de energía de mareas de 40 kW fue desarrollada por Harbin Engineering University y tuvo la asistencia de la Oficina de Tecnología de Daishan (Power Engineering Internacional, 2006).

La Federación Rusa también ha construido plantas de generación de energía por mareas experimentales desde los años ’30. Una pequeña planta piloto con una capacidad de 400 kW fue construida en Kislogubsk cerca de Murmansk hacia 1968. El éxito de esta instalación llevó a una serie de estudios de diseño para plantas de mareas más extensas en otras regiones del país: Lumbov (67 MW) y la bahía de Mezen (15000 MW) en el Mar Blanco, Bahía Penzhinsk (87400 MW) y Bahía de Tugur (6800 MW) en el Mar de Okhotsk. Finalmente la estación de Tugur fue el único proyecto a gran escala viable (World Energy Council, 2001.

Un estudio de viabilidad de la estación de energía de mareas de Tugur en la región de Khabarovsk estimó su volumen de generación en alrededor de 16.200 millones de kWh por año. Parece improbable que se produzca una demanda de este tipo de proyectos en el Lejano Este de Rusia antes del año 2020 y su desarrollo sólo podrá ser posible dentro de un programa de cooperación internacional con los países vecinos, interesados en importar energía desde Rusia (Minakov, 2005).

Proyectos

A fines de 2004 el Gobierno de China firmó en New York un Acuerdo de Cooperación por una Laguna de Marea de 300 MW. El gobierno chino expresó su apoyo a la laguna de mareas offshore de 300 MW de Tidal Electric’s, en las aguas cercanas a la desembocadura del Río Yalu. Con 300 MW, este proyecto será la planta de energía de mareas más grande del mundo, superando la capacidad de 240 MW de la planta de energía de mareas francesa de La Rance.

En Corea está en construcción un generador del tipo de corriente única en la ciudad de Ansan, en el lago Shiswa, que tendrá una capacidad de 252 MW. Este sistema contará con 12 unidades de generadores de 21 MW y una generación de energía anual proyectada de 552 millones kWH cuando se termine en el año 2008. Este proyecto fue diseñado por el Instituto de Investigación y Desarrollo Oceánico de Corea y subsidiado por la Corporación de Recursos de Agua de

orea. El costo estimado es de U$ 320 millones, con un precio por kWh de U$ 0.09. El sistema se basa en la diferencia de mareas de 5.6 mt. Si se completa exitosamente, este proyecto superará a La Rance (Francia) como la planta de energía de mareas más grande del mundo. Corea también planea una planta de energía de corriente de mareas en el canal de Uldol-muk, en un angostamiento del canal, con una velocidad máxima del agua que supera los 6.5 m/s. Esta planta experimental utilizará las turbinas helicoidales “Gorlov” desarrolladas por GCK. Este sistema de 1 kW comenzará a operar en el 2007. (IEEE Power Engineering Society, 2005)

EDF Energy, una de las compañías de energía más grandes del Reino Unido, ha aumentado su inversión en Marine Current Turbines Ltd (MCT) con una adición de 2 millones de liras. Esta inyección de capitales por EDF Energy apoyará el desarrollo comercial del dispositivo de corrientes de mareas de 1MW Sea Gen de MCT capaz de proveer electricidad limpia y sustentable a aproximadamente 800 hogares. Esta sociedad permitirá proveer por primera vez electricidad generada por la energía de las mareas a los hogares. El prototipo está listo para ser instalado en Irlanda del Norte en Strangford Lough, y será conectado a la red local en el año 2006. EDF Energy está ansioso por desarrollar esta nueva tecnología para calcular su potencial aplicación comercial futura  como una granja de mareas con más de 30 turbinas (Marine Current Turbines, 2005).

Una compañía de energía de mareas Americana, Tidal Electric, ha propuesto dos proyectos de mareas offshore para Gales, que incluyen la construcción de cuencas de mareas unidas (lagunas de mareas) para atrapar altas mareas. El proyecto inicial de 60 MW fue propuesto para la bahía Swansea en el Reino Unido, midiendo 5 km2 de área, a aproximadamente un milla de la costa. WS Atkins ha realizado un estudio de  viabilidad del proyecto y se ha concluido que es viable técnicamente, así como también ambiental y económicamente. Un proyecto a mayor escala, que depende del éxito del proyecto en Swansea, podría ser construido en Rhyl en la costa de Gales y podría tener una capacidad de generación de 400 MW. Para proveer una generación continua mayor, el reservorio del proyecto de Rhyl sería subdividido en segmentos, cada uno de los cuales se llenaría y vaciaría por turnos. Estos reservorios serían construidos a partir de rocas (30 millones de toneladas para el sistema de Rhyl), como una autopista, y por lo tanto los costos no serían tan elevados, como los sistemas de barrera o de diques de mareas. Este sería el proyecto más grande de energía renovable en el Reino Unido. El sistema de Rhyl mediría nueve millas de largo y dos millas de ancho (The United Kingdom Parliament, 2001).