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Energía de las olas
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Paulina Burgos Madrigal
Osvaldo Rodríguez Hernández
23 Octubre 2008
CONTENIDO
1.Introducción
• Potencial del recurso
2.Historia
• ¿Qué sucede debajo de la superficie
3.Casos de Estudio
• TAPCHAN
• Columnas Oscilatorias de Agua
4.Principios físicos de la energía de las
olas
del agua?
•
•
Refracción
7.
Recursos
8.
Tecnología
9.
Clasificación
•
•
5.Características de las olas
6.Estado típico del mar
Agua poco profunda
Fijos al fondo del mar
Flotantes en agua
10.
Investigación y Desarrollo
11.
Economía
INTRODUCCIÓN
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Aunque este concepto no es nuevo, hasta 1970 esquemas
viables aparecieron.
Para zonas donde la energía convencional es muy costosa
este esquema puede ser muy competitivo.
“World Energy Council” estimó que alrededor del mundo la
potencia del recurso es de 2 TW, equivalente a una
disponibilidad anual de 17 500 TWh.
HISTORIA
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1973, Reino Unido tuvo una crisis energética que incremento el
interés por la energía renovable.
Desafortunadamente no se tiene el suficiente tiempo y
recursos para implementar los modelos y la tecnología.
1989, un prototipo de Columna Oscilatoria fue instalada en
Escocia.
Otros países incrementan sus programas de investigación y
desarrollo como son Japón y Noruega
1993, la Unión Europea provee fondos para pequeños
proyectos y la formación de “Wave Energy Thematic Network”
CASOS DE ESTUDIO INTRODUCTORIOS
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TAPCHAN (TAPered CHANnel)‫‏‬
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Columna de Agua Oscilante (OWC)
TAPCHAN
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“Canal rematado en punta”
Las olas son forzadas dentro de un canal y su peso es
amplificado hasta que la cresta alcance 3 m sobre el nivel del
mar.
La energía cinética es convertida en potencial y
posteriormente en electricidad.
Tiene pocas partes móviles, sus costos de mantenimiento son
bajos.
Colecta olas en el reservorio, y la salida para la turbina Kaplan
depende de la diferencia del nivel de agua entre el reservorio y
el mar.
Tiene una capacidad integral de almacenamiento que no ha
sido encontrada en otros convertidores de energía
Esquema TAPCHAN
Dependiendo de la turbinas
tenemos una potencia de
salida de 500kW
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Para aumentar la eficiencia y reducir costos se tienen esquemas de
predicción de olas, lo que permite a los diseñadores construir reservorios
mas pequeños.
Otro método es reducir la longitud del canal.
TAPCHAN no puede ser utilizada en cualquier parte del mundo, el sitio debe
cumplir los siguientes requisitos:
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Olas con alto nivel de energía (altas) y frecuentes.
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Profundidad cerca de la orilla (mar sin plataformas marítimas)‫‏‬
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Un intervalo corto de amplitud de marea (menor a 1.0 m )‫‏‬
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El sitio presente una forma característica que permita la construcción.
Canal Toftestallen-TAPCHAN Noruega
Columnas de agua Oscilante
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Una columna instalada en el lecho del mar que admite las
olas a través de una apertura cerca de su base.
Al subir y caer las olas del mar, la altura de la columna
también sube y baja.
Cuando el nivel del agua sube, el aire es forzado a cruzar a
través de una turbina que impulsa el generador.
Al volver a caer, el aire es succionado de vuelta de la
atmósfera para llenar el vacío resultante, y el turbogenerador
es activado nuevamente.
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La isla de Islay fue el primer sitio para construir OWC,
instalada en 1989.
Después de observar ciertas limitaciones se modifico el
método de construcción, excavando en una pared de roca
natural y hasta el final se remueve de la instalación.
Para eliminar la turbulencias en el flujo de agua y perder
energía el diseño del canal se modificó para un movimiento
vertical por medio de una pendiente.
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Las columnas oscilatorias de agua han sido construidas en
Japón, India y Noruega.
El “Kaimei” fue probado en Japón en 1977.
En 1989 fue instalada OWC en Sakata con una capacidad de
60 kW.
1985 se instaló la (MOWC) con una pared de 60 m de
profundidad, turbinas de 2 m de diámetro, que alcanzaban
velocidades de 1000-1500 rpm y potencia de 600 kW.
Principios físicos de la energía de las olas
Las olas son generadas por el viento que tiene
contacto con la superficie del agua.
Existen tres posibles procesos involucrados:
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La corriente de aire sobre la capa externa
del agua aplica un esfuerzo tangencial que
resulta la formación y crecimiento de las
olas.
El flujo turbulento del aire cerca de la
superficie del agua crea rápidamente una
variación en el esfuerzo cortante y la
presión
Finalmente cuando las olas tienen cierto
tamaño, el viento ejerce una fuerza que
causa un crecimiento adicional a la ola.
Las olas se caracterizan
por su longitud, altura (H) y
período (T).
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Olas con mayor amplitud
contienen más energía por
metro, que olas pequeñas.
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Olas con mayor amplitud contienen mas energía por metro, que
olas pequeñas.
Se cuantifica la potencia de la ola y no su contenido de energía.
El tamaño de la ola depende de la velocidad del viento, de la
duración, de la longitud expuesta a la acción del viento.
Las olas pueden viajar grandes distancias del punto de origen
perdiendo el mínimo de energía.
Características de la ola y potencia
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La forma de una ola típica se describe como una función
sinusoidal.
Periodo: el tiempo que tarda en pasar de un punto conocido
(T)
Frecuencia: número de picos, oscilaciones en superficie por
segundo y es reciproca al periodo.
λ
La velocidad es igual a la longitud de onda
ν =dividida por el
período.
T
λ
ν=

T
Potencia: En kW/m esta dada por:
2 2
ρg H T
P =
32π
ρg 2H 2T
P =
32π
P = P =
32π

ν=
32π 2π
Olas en aguas profundas: Una interesante consecuencia es
que las olas “largas” viajan mas rápido que las cortas.
2
gT
gT
gTν =
λ=
ν=
2π
2π
2π

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Olas en profundidad media: Las propiedades de las olas son
influenciadas por la profundidad del agua y el periodo de la
ola.
√
2 gT 2
gTλ =
ν = gd
λ
=
Olas en agua poco profunda:
La cama oceánica tiene un
2π
2π
efecto en la velocidad de la ola y no depende del periodo de la
ola
√
√
HS2 Te
ν = νgd= gdP =
T
ν=
√
Estado típico del mar
gd
Esta compuesto por varios componentes individuales que
describen cada ola y es la suma de estos componentes
(promedio) son usados para estimar la potencia.
ν=
√
gd
1. Variación del nivel de la superficie durante un periodo de
tiempo para calcular la altura promedio de la ola (Hs) definido
como 4 x el promedio de las raíces cuadradas de la media.
P =
2
HS Te
2. El Te es definido como el tiempo promedio entre el movimiento
hacia arriba de la superficie hasta el nivel medio del mar.
P =
T
2
HS Te
ν=

gd
Donde P esta dada en kW por metro de la cresta de la ola
P =
2
HS Te
T
Potencial del recurso
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Esta figura muestra un estimado de la potencia (kw/m) de las olas en varias
localidades.
En aguas de 100m de profundidad (Escocia) el promedio anual es de 70 kW/m,
para aguas de 40 m la potencia es de 50 kW/m.
La dirección de las olas es la misma que la del viento que la produjo.
Las olas pueden viajar grandes distancias sin perder cantidades significativas
de energía.
Recursos
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Se tiene estimado un total de 2 TW (17 500 Twh por año).
Gran Bretaña estima un promedio anual de potencia de 30
GW (260 Twh por año) en aguas poco profundas, 80 GW (700
Twh por año) en aguas profundas.
La demanda de electricidad en el 2002 fue de 350 TWh.
¿Que sucede debajo de la superficie?
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Esta compuesta por órbitas, que decrecen exponencialmente
a la profundidad.
Para cuestiones de diseño es útil saber que el 95% de la
energía es contenida capa que se encuentra entre la superficie
y a una profundidad igual a un cuarto de longitud de onda.
Dentro de agua poco profunda
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El efecto de fricción es significativo cuando el agua es menos
profunda que un cuarto de la longitud de onda y se pierde
varios W/m por por cresta por cada metro recorrido.
Cuando una ola rompe disipa energía por medio de
turbulencia, esto puede dañar la estructura de los
convertidores de olas .
Refracción
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La velocidad de las olas esta gobernada por la profundidad
del agua.
Refracción: es el cambio de dirección (paralela a la orilla de la
costa) causado por la reducción de la velocidad.
Conocer el limite de esta profundidad nos permite identificar
el área donde pueden ser concentradas y aumentar el costo
beneficio.
Tecnología
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Es necesario contar con una estructura que intercepte las olas
y reaccione de manera apropiada.
La clave es que deben ser estructuras estables, con una parte
móvil que interacciona con las olas.
El tamaño del convertidor de energía es un factor que
determina la eficiencia, este debe responder al volumen de
agua a tratar.
Existen diferentes configuraciones y maneras de clasificarlas:
Clasificación
Por su ubicación
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Fijos al fondo de mar (agua poco profunda)‫‏‬
Flotantes en aguas profundas
Flotantes en profundidad intermedia
• Por su orientación geométrica:
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Atenuadores
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Punto de absorción
Fijos al fondo de mar
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Son los prototipos mas comunes.
Tienen como desventaja que operan en agua poco profunda donde
la potencia de las olas esta reducida.
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No pueden ser colocados en cualquier lugar.
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El mejor ejemplo: Columna oscilatoria de agua (OWC)
La turbina Wells
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Acepta dirección del viento en
cualquier dirección axial.
Es ideal para la aplicación sobre la
energía de las olas porque posee
una impedancia constante.
Puede rota a una velocidad de
1500-3000 rpm y el generador
eléctrico puede ser sujetado
directamente a la turbina
Pendulor
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Consiste en una caja rectangular, la cual esta abierta
hacia el mar en un costado. Una aleta se abisagra sobre
la abertura y la acción de las ondas.
Existen dos prototipos, en Hokkaido Japón (1980) y SriLanka
Flotantes en aguas profundas
Incluye:
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Backward Bent
Duck Buoy

Pelamis
Floating Wave
Power Vessels



Duck
Clam
OWC flotantes:

Whale

Swan DK3

Wave Dragon
Whale Backward Bent Duct Buoy
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Necesita una estructura masiva para proveer una estabilidad
razonable, se le incorporo un rompeolas.
Fue probado en Japón, la potencia de salida fue de 6 kW con
eficiencias del 15%.
“La Ballena”
Backward Bent Duct Buoy
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Un modelo a escala fue probado en China.
Floating Wave Power Vessel (FWPV)‫‏‬
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Potencia maxima de salida de 1.5 MW, produce 5.2 millones
de kWh por año.
Captura el agua de las olas que corre por la cara frontal
inclinada, regresa al océano por medio de una turbina Kaplan.
En muchos aspectos es comparada con la tecnología
TAPCHAN.
“Clam”
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Consiste en doce
módulos interconectados
en forma de circulo con
turbinas Wells en cada
modulo. Las olas causan
movimiento de aire entre
los módulos, el aire es
forzado de modulo en
modulo por efecto de la
ola, así pasa por al menos
una de las doce turbinas.
Duck
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Desarrollado por el profesor Stephen Salter de la Universidad de Edimburgo de
Reino Unido en 1970.
Rodillos conectados en una linea principal flexible que flota, la cual abarca varios
km en el océano y esta orientada en dirección de las olas.
Esta diseñado para coincidir con el movimiento de las partículas del agua, este
acoplamiento puede ser casi perfecto a la ola si se controla la flexibilidad de las
uniones de los rodillos.
El concepto es teóricamente de los mas eficientes, pero tomara unos años
desarrollar la ingeniería necesaria para utilizar el concepto a escala real.
Pato de Salter
Dispositivo similar al pato
de Salter
Pelamis
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También llamado “serpiente marina” fue desarrollada en reino
unido por “Ocean Porwer Delivery Ltd”.
Consiste en varios cilindros unidos por brazos hidráulicos y
bombas conectadas a motores hidráulicos así como
acumuladores.
Los motores hidráulicos conectados a un generador eléctrico
producen energía eléctrica.
Las dimensiones de un ejemplar son alrededor de 150 m de
largo y 3.5 m de diámetro, compuesto por 5 módulos.
PELAMIS
Escocia y Portugal, primeras
granjas en mundo.
750 kW longitud de 150m
ESQUEMA
DRAGON ROJO
ACUMULACION DE AGUA
20 a 30 metros de profundidad
para producir entre 4 y 11 MW
“RED DRAGON”
Prueba en Nissum-Bedding,
Dinamarca
“RED DRAGON”
Mar
Dispositivos sujetos al fondo de mar
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Este concepto ha llamado la atención debido a que estos
dispositivos permiten capturar la energía máxima de la ola al
estar sumergidos y abarcar una mayor amplitud.
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Hose Pump Wave Energy Converter

Interproject Service Convertor
Hose Pump Wave Energy Converter
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Fue desarrollado hace 20 años por “Technocean” en Suecia.

Consiste en bombear agua de un arreglo de mangueras fijas.
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La manguera de bombeo en un cilindro vertical de goma
reforzado anclado al fondo marino y sujeto a un flotador en la
superficie.
Interproject Service Convertor
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Desarrollado por “Interproject Service AB” de Suecia en 1980.
Consiste en una boya con un tubo abierto por ambos lados,
un pistón dentro del tubo esta ligado a la boya, la potencia es
obtenida de la interacción de la boya y el agua dentro del
tubo.
Por estar colocado de manera vertical captura energía
adicional.
“The AquaBuoy”
Unidades de 100 kW, del grupo
FINAVERA en Washington E.U.A.
(experimental)
En Operación
Investigación y Desarrollo alrededor del
mundo

“The frog” Universidad de
Lancaster. Convierte energía
mecánica del movimiento de la
masa dentro del dispositivo,
generado por el movimiento de las
olas. (R.U.)
Arquímedes (Holanda)
Consiste en dos cilindros
interconectados, uno fijo al fondo
del mar con un magneto fijo a
uno de sus extremos, y el otro es
libre de moverse de acuerdo a las
olas en la superficie, este último
tiene una espira de metal que se
utiliza para generar una corriente
eléctrica por inducción. Tiene una
capacidad de 2MW
Economía
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Reducir costos de operación y mantenimiento es la clave para
una exitosa implementación de las estaciones de energía de
las olas.
El costo por kW de las estaciones son por lo menos el doble
del costo por hidrocarburos.
El esquema de diseño debe estar enfocado en ser robustos
para un largo periodo de vida útil en el clima del océano y
disminuir el numero de partes pequeñas para evitar fallas.
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El costo típico se encuentra alrededor de 1000 libras por kW
instalado.
Conforme pasa el tiempo se ha mejorado el diseño pero se
han construidos diseños mas pequeños que disminuyen el
riesgo de financiamiento y por lo tanto el costo de producción
de energía.
El costo de explotación esta alrededor de 5p por kWh y se
espera disminuirlo hasta 2p por kWh.
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
Tan pronto como este tipo de energía se considere benigna
para el ambiente será atractiva comercialmente y por lo tanto
utilizada en muchas localidades.
El pronostico comercial parece ser bueno ya que existen
muchos prototipos ansiosos por demostrar que es viable
generar electricidad por este medio a precios favorables su
emitir gases de invernadero.
Futuros prospectos
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En adición de la generación de electricidad, esta tecnología
puede utilizarse para desalinizar, bombeo de agua, generación
de hidrogeno.
El desarrollo de la energía de las olas será un largo proceso
pero es potencialmente atractiva y viable.
En México
• Programa de Investigación Multidisciplinaria de Proyectos Universitarios de
Liderazgo y Superación Académica (IMPULSA)
• IMPULSA I: Proyecto Universitario de Nanotecnología Ambiental (PUNTA).
• IMPULSA II: Células troncales adultas, regeneración neuronal y
enfermedad de Parkinson.
• IMPULSA III: Genoma de Taenia solium (cuatro entidades).
• IMPULSA IV: Desalación de agua de mar y purificación de aguas
residuales .
• IMPULSA V: Sistema de informática para la biodiversidad y el ambiente
(SIBA-UNAM).
Página del Proyecto
http://www.impulsa4.unam.mx/
Potencial de mareas
Santa Rosalía, Islas Tiburon y
Ángel de la Gurda
Impacto Ambiental
Un impacto ambiental es la alteración de la calidad del medio ambiente
producida por una actividad humana.
Para poder considerar un efecto como un impacto ambiental se
necesita
i. El cambio que se produce en el factor ambiental estudiado (magnitud)
ii. El valor que tiene este cambio con respecto a la calidad de los
elementos ambientales estudiados o de la calidad ambiental desde el
punto de vista global. Este cambio de calidad siempre tiene que ser
positivo o negativo.
Siempre es importante considerar que una acción no repercute en un
único elemento ambiental, sino que afectará diferentes elementos
ambientales (Agua, Suelo, Aire, Social, Ruido, etc.) [Ref: Evaluación de
Impacto Ambiental, Alfonso Garmendia Salvador, 2005, Pearson]
La energía de las olas, es de las tecnologías que puede considerarse
armoniosa con el ambiente, por lo siguiente:
• Presentan ligero impacto visual.
• Generan ruido de menor intensidad que el producido por las olas.
• No son obstáculo para la migración de los peces.
• Puede considerarse que no produce gases de efecto invernadero (CO2,
NOx, SOx)
• No influyen en el ambiente del oceano (mareas, corrientes, tormentas, etc.)
• No presentan derrames de sustancias contaminantes al mar.
• Para comunidades remotas puede significar el abastecimiento de energía
reduciendo el costo de energía sustancialmente al no necesitar de
combustibles fósiles.
• La variación del recurso varía favorablemente, las olas con mayor energía
están presentes con el mal clima y en las estaciones frías, que coincide
cuando la demanda eléctrica aumenta.
Impactos negativos:
• La ejecución de las obras aumenta la turbidez del agua, perdida de hábitat de
las comunidades biológicas en el sitio donde se asentaran los dispositivos
sumergidos y/o anclados, así como la instalación de los cables subterráneos.
• Contaminación química y derrames, en el caso en que los dispositivos
contengan aceite lubricante.
• El ruido y las vibraciones que producen los dispositivos pueden causar
molestia a los mamíferos marinos e interferir en la migración de estos.
• El mayor conflicto es la restricción de la pesca en el área de implantación del
parque.
REFERENCIAS
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http://www.impulsa4.unam.mx/
http://www.emec.org.uk/
www.rise.org.au/info/Tech/wave/index.html
http://www.wavegen.co.uk
http://www.google.com/gwt/n?u=http://www.pelamiswave.com
http://en.wikipedia.org/wiki/Pelamis_wave_energy_converter
http://www.pelamiswave.com/index.php
http://www.wavedragon.net/index.php?
option=com_docman&task=cat_view&gid=22&Itemid=28
• Renewble Energy, Godfrey Boyle, 2004, Oxford University Press.
GRACIAS...