Desafíos Tecnológicos en Generación
Mareomotriz
Departamento de Ingeniería Hidráulica y Ambiental
Escuela de Ingeniería
Pontificia Universidad Católica de Chile
Mayo 2011
Rodrigo Cienfuegos, Profesor Asistente
Maricarmen Guerra, Ingeniera de Proyectos
Nils Lindeen, Estudiante MSc
Desafíos Tecnológicos en Generación
Mareomotriz
Fondef D09I1052 : Evaluación del Recurso Energético Asociado a
Corrientes Mareales para la Selección e Implementación de
Dispositivos de Recuperación de Energía
Beneficiarios
P. Universidad Católica de Chile
Instituto Nacional de Hidráulica
Empresas Asociadas
HydroChile S.A.
DICTUC S.A.
Contenidos de la Presentación
2. Desarrollos tecnológicos en curso y proyecciones
futuras
3. Desafíos específicos para Chile
1. Qué es la energía mareomotriz
Qué es la Energía Mareomotriz
ES POSIBLE EXPLICAR EL 90% DE LAS
FLUCTUACIONES DE NIVELES Y CORRIENTES DE
MAREA EN UN SITIO ESPECIFICO POR
CONSIDERACIONES ASTRONOMICAS (ALTAMENTE
PREDECIBLE PERO VARIABLE EN EL TIEMPO)
Amplitud de la componente mareal M2. Fuente : R. Ray, 2007. Topex/Poseidon : Revealing
hidden tidal energy (GSCF, NASA)
La marea es forzada por interacciones Tierra-Sol-Luna pero se
propaga como una onda
Qué es la Energía Mareomotriz
Período Natural :gh
LT b
n
2
ResonanciaFuerza de Coriolis
Bahía de Fundy, Canadá Canal de Chacao Mont Saint Michel, Francia
~16m ~6m ~12m
Qué es la Energía Mareomotriz
Condiciones para amplificación local
Qué es la Energía Mareomotriz
Las diferencias de nivel producen gradientes de presión
Generación de corrientes
332
2
1d
2
1d ˆ
2 )( UAAUA
UtP
AA
nV
Flujo instantáneo de energía cinética a
través de una sección Potencia
Concepto de densidad de potencia kW/m2 :3
2
1)(U
A
tP
Interesante en zonas de poca profundidad (20-60m) y velocidades peak
> 2m/s
Potencia media teóricamente aprovechable kW/m2 : dtUTA
tP Tt
t
31
2
1)(
Qué es la Energía Mareomotriz
Ventajas
Energía limpia y renovable
Altamente predecible
Desafíos
La hidrodinámica mareal puede verse alterada (límites de extracción)
Puede tener consecuencias ambientales (zonas protegidas o rutas
navegables)
Costos de construcción y mantención altos, bajo factor de planta
¿ Y si generamos energía a partir de las corrientes mareales ?
Densidad del agua de mar 1.000 veces mayor que el aire
Contenidos de la Presentación
2. Desarrollos tecnológicos en curso y proyecciones
futuras
3. Desafíos específicos para Chile
1. Qué es la energía mareomotriz
Desarrollos en Curso
ALGUNOS DESARROLLOS TECNOLOGICOS DE
GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA ESTAN
ENTRANDO EN FASE PRE-COMERCIAL (LA
TECNOLOGIA NO ES MADURA, FALTA MUCHO
CAMINO POR RECORRER ~ EOLICO 30 AÑOS ATRAS)
Desarrollos en Curso
Turbinas a eje
horizontal
Turbinas a eje
vertical
Represamiento
con barrera
Tipos de Aprovechamientos
Desarrollos en Curso
Turbina
horizontal en
ducto (venturi)
Turbina
horizontal en
corriente
abierta
En ambos casos la potencia depende del diámetro D
Turbinas Hidrocinéticas
Desarrollos en Curso
Gravedad
- Difícil preparación del
fondo
- Erosión
- Pesado y costoso
- Rotor situado más
cerca del fondo (menor
energía)
Monopila
- Necesidad de
perforación
- Instalación
desde un jackup
limita la
profundidad a
50m
Multipila
- Necesidad de
perforación
- Más costoso
que monopila
pero puede ser a
mayor
profundidad
Flotante
- Fuerza de flotación dificulta la
estabilidad
- Problemas con la flexibilidad y
resistencia de los cables
- Costos de mantención más
importantes
Tipos de Anclajes
Desarrollos en Curso
Fuente: International Energy Agency (IEA). “Annual Report 2010: Implementing
Agreement on Ocean Energy Systems”, 2010.
Capacidad Instalada Actual a Nivel Mundial
Desarrollos en Curso
EMEC: European Marine Energy Centre
Orkney, Escocia, Reino Unido
Prueba y monitoreo de turbinas marinas (mareas y oleaje).
5 sitios de prueba mareomotriz y 5 sitios undimotriz conectados a la red.
Turbinas Instaladas: OpenHydro, Tidal Generation, Atlantis, Hammerfest Strom*,
Voith Hydro*, Scotrenewables*
* Instalación en 2011
NS Power - OpenHydro,
FORCE
Tidal Site, EMEC
Tidal Generation,
EMEC
OpenHydro, EMEC
FORCE: Fundy Ocean Research Centre for Energy
Bahía de Fundy, Canada
Prueba y monitoreo de turbinas marinas.
3 sitios de prueba conectados a la red con capacidad de 16 MW cada uno.
Socios: Nova Scottia Power (asoc. OpenHydro), Minas Basin Pulp and
Power (Asoc. Alstom Hydro y MCT)
Otros Centros: NMREC (USA), PRIMaRE
(UK), NAREC (UK), CORE (USA), DanWEC
(Dinamarca)
Centros de Prueba
Desarrollos en Curso
MCT:
SeaGen
Prototipo de 1,2MW instalado
en Strangford Lough, Irlanda,
conectado a la red del Norte
de Irlanda, dónde ha
generado 2,5 GWh desde
2008.
Proyecto futuro de 100 MW
en Pentland Firth, Reino
Unido
OpenHydro:
Open-centre Turbine
Prototipo de 0,25 MW Instalado en
EMEC en 2006 y conectado a la
red en 2008.
2do prototipo de 1MW instalado en
Bahía Fundy, Canadá, en 2009
Proyecto futuro de 200MW junto a
SSE (Scottish and Southern
Energy) en Pentland Firth, Reino
Unido
Hammerfest Strom:
HS1000
Prototipo de 1MW, será
instalado el 2011 en EMEC.
Proyecto de demostración de
10 MW en Isley, Escocia.
Proyecto futuro de 100MW en
Pentland Firth junto a SPR
(Scotish Power Renewables)
Turbinas en fase pre-comercial (1)
Desarrollos en Curso
Turbinas en fase pre-comercial (2)
Alstom Hydro:
Clean Current TISEC
Prototipo de 1MW será
instalado en Bahía Fundy,
Canada en 2011-2012
MeyGen:
Atlantis Ak-1000
Prototipo de 1MW instalado y
conectado en EMEC en 2010.
Proyecto futuro de 400MW en Inner
Sound en Pentland Firth, Reino
Unido
Voith Hydro:
VoithHyTide
Prototipo de 1MW, será
instalado el 2011 en EMEC.
Convenio firmado con Corea
del Sur para proyecto de
150MW
Desarrollos en Curso
Fuentes: Renewable UK, “Wave and Tidal Energy in the UK”, 2011; The Crowne State. “Pentland Firth and Orkney
Waters Round 1 Development Sites”, 2010; BBC news.
Proyectos en Carpeta al horizonte 2020
Desarrollos en Curso
• Capacidad Instalada UK
– Marzo 2011: 3,4 MW
• Unidmotriz: 1,3 MW
• Mareomotriz: 2,1 MW
– 2011 - 2012: 7,2 MW
• Instalación de nuevos prototipos
– 2013 - 2014: 60 MW
• Instalación de parques de
demostración y nuevos prototipos
– Al 2020: Diferentes Escenarios
• Plan Gobierno UK: 1,3 GW
• Pentland Firth: 1,6 GW
• Industria: 2,12 GW
• Capacidad Instalada UE 2020:
– Francia: 350 MW
– Portugal: 200 MW
– España: 150 MW
Capacidad instalada y predicción futura Energías Marinas.
Capacidad Acumulada y Anual 2010 -2014 en Reino Unido.
Fuente: Renewable UK, “Wave and Tidal Energy in the UK”,
2011
Predicción Capacidad Instalada Energías Marinas en la UE, 2010 - 2020
Fuente: Renewable UK, “Wave and Tidal Energy in the UK”, 2011
Proyecciones en la UE al 2020
Desarrollos en Curso
Prototipo: Desarrollo e Instalación
Parque Demostración: Hasta 10 MW
Parque Generación:
Hasta 500 MW
ConceptoPruebas LaboratorioPrototipo escala comercial instalado y conectado
35MM €
Pequeños arreglos de dispositivos (5 a 10 MW)Capital:
45 a 67 MM €Operación:
0,9 a 4,2 MM €al año
Asumiendo un desarrollo continuo y Capacidad Instalada
global: 1GW
90 a 140 €MWh
Fuentes: Renewable UK, “Wave and Tidal Energy in the UK”, 2011;
Renewable UK, “Channelling th Energy”, 2010; Carbon Trust, “Future Marine Energy. Results of the Marine
Energy Challenge: Cost Competitiveness and Growth of Wave and Tidal Stream Energy”, 2006
Costos Estimados
Contenidos de la Presentación
2. Desarrollos tecnológicos en curso y proyecciones
futuras
3. Desafíos específicos para Chile
1. Qué es la energía mareomotriz
Desafíos Específicos para Chile
CHILE POSEE ALGUNOS DE LOS SITIOS MAS
INTERESANTES A NIVEL MUNDIAL Y ESTAMOS A
TIEMPO DE PARTICIPAR EN EL DESARROLLO DE UN
NUEVO MERCADO DE ERNC
Desafíos Específicos para Chile
Canal de Chacao
0.7-0.9TWh/año
35
2da Angostura
Estrecho de
210000
3.6
750
150Extract Power (MW)
100000
3.8-5.2
380-520
76-104
Canal de Chacao Golfo de Corcovado
Power density
(kW/m2)
Available Power
(MW)
Cross Section Area
(m2) 240000
0.72
170
Golfo de Corcovado
0.3TWh/año
2da Angostura
1.3TWh/año
Recursos
potencialmente
aprovechables en
sitios seleccionados:
~2.5TWh/año
(utilizando 20% de la potencia
disponible)
Fuente : Garrard Hassan & Partners (2009)
Chile es un país privilegiado en
cuanto a este tipo de energías
El Canal de Chacao es el sitio de
mayor relevancia por disponibilidad de
recursos y otros factores (batimetría,
cercanía a la red eléctrica,
infraestructura, etc.)
Desafíos Específicos para Chile
Fuente : Nils Lindeen (2011) Fuente : Chris Aiken (2008)
Desafíos Específicos para Chile
Realizar los estudios batimétricos, estudios de marea y estudios de corrientes necesarios para conocer con certeza las propiedades del fondo marino y caracterizar las corrientes en la zona del Canal de Chacao, con el objeto de definir puntos específicos en donde se podrán instalar y operar los primeros dispositivos de prueba para la recuperación de energía de corrientes de marea en Chile
USA UK UK
France
Contribución Esperada Proyecto FONDEF (1)
Desafíos Específicos para Chile
Combinar campañas de terreno con modelación numérica para reducir el nivel de incertidumbre respecto del recurso energético disponible y aprovechable en el Canal de Chacao
Mapa energético y potenciales interferencias
Contribución Esperada Proyecto FONDEF (2)
Desafíos Específicos para Chile
Contribución Esperada Proyecto FONDEF (3)
Modelación avanzada de la interacción de corriente-dispositivo
● Experiencias de laboratorio
● Modelos numéricos 3D
Cuantificar el efecto de los dispositivos sobre la hidrodinámica
Generar parametrizaciones que puedan emplearse en modelos de mayor escala
Avanzar hacia el desarrollo de herramientas que permitan pre-diseñar parques de dispositivos (ubicación y distribución óptima)
Desafíos Específicos para Chile
Favorecer el desarrollo de consorcios tecnológicos entre instituciones
públicas y privadas, a nivel nacional e internacional
Reducir el nivel de incertidumbre respecto del recurso disponible
(mapas energéticos) y factibilidad de aprovechamiento (límites de
extracción)
Generar las condiciones para instalación de empresas tecnológicas
desarrolladoras de dispositivos (reconversión de antiguos astilleros o
sectores industriales en Concepción, Puerto Montt…)
Diseñar políticas públicas adaptadas para reducir barreras de entrada
(incentivos tributarios, subsidios, tarifas, acceso a la red, concesiones
marítimas, etc.)
Impulsar la creación de un Centro de Pruebas para evaluar el
funcionamiento de turbinas en condiciones locales
Desafíos Específicos para Chile
Inspirarse en el modelo de desarrollo de UK
Research Consortium
“Muchacha asomada a la ventana”, Salvador Dalí, 1925
SERÍA LAMENTABLE EXPLOTAR EL RECURSO ENERGÉTICO DISPONIBLE DESAPROVECHANDO LA OPORTUNIDAD DE DESARROLLAR I+D+i A NIVEL NACIONAL
Desafíos Específicos para Chile
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