Generador de corrientes mareomotrices

Estos sistemas son similares en concepto a los molinos de viento tradicionales, pero funcionan bajo el mar. La mayoría de los prototipos se encuentran actualmente en fase de diseño, desarrollo, pruebas u operación.

La SR2000, un prototipo de turbina flotante de 2 MW desarrollado por Orbital Marine Power en Escocia, operó en el Centro Europeo de Energía Marina de Orkney desde 2016. Produjo 3200 MWh de electricidad en 12 meses de pruebas continuas. Fue retirada en septiembre de 2018 para dar paso a la Orbital O2, el modelo de producción, que se completó en 2021. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Tocardo, ^{[ 7 ]} una empresa con sede en los Países Bajos, ha estado operando turbinas mareomotrices desde 2008 en el Afsluitdijk, cerca de Den Oever. ^{[ 8 ]} Datos típicos de producción del generador mareomotriz mostrados en el modelo T100 tal como se aplica en Den Oever. ^{[ 8 ]} Actualmente, 1 modelo fluvial (R1) y 2 modelos mareomotrices (T) están en producción, con un 3er T3 próximamente. La producción de energía para el T1 es de alrededor de 100  kW y alrededor de 200  kW para el T2. Estos son adecuados para corrientes de marea tan bajas como 0,4  m/s. ^{[ 9 ]} Tocardo fue declarada en bancarrota en 2019. ^{[ 10 ]} QED Naval e HydroWing se unieron para comprar el negocio de turbinas mareomotrices Tocardo en 2020. ^{[ 11 ]}

La AR-1000, una turbina de 1 MW desarrollada por Atlantis Resources Corporation, se instaló con éxito en las instalaciones de EMEC durante el verano de 2011. La serie AR son turbinas de eje horizontal a escala comercial diseñadas para su instalación en mar abierto. Las turbinas AR cuentan con un único rotor con palas de paso fijo. La turbina AR gira según sea necesario con cada intercambio de mareas. Esto se realiza durante el período de calma entre mareas y se mantiene en su posición para lograr la dirección óptima para la siguiente marea. Las turbinas AR tienen una potencia nominal de 1 MW a una  velocidad de flujo de agua de 2,65 m/s. ^{[ 12 ]}

La instalación de Kvalsund se encuentra al sur de Hammerfest , Noruega , a 50 metros de profundidad. Aunque todavía era un prototipo, la turbina HS300, con una capacidad declarada de 300  kW, se conectó a la red el 13 de noviembre de 2003. Esto la convirtió en la primera turbina mareomotriz del mundo en suministrar energía a la red. La estructura sumergida pesaba 120 toneladas y tenía cimientos de gravedad de 200 toneladas. Sus tres palas estaban hechas de plástico reforzado con fibra de vidrio y medían 10 metros desde el buje hasta la punta. El dispositivo giraba a 7 rpm con una capacidad instalada de 0,3 MW. ^{[ 13 ]}

Seaflow , una  turbina de hélice de corriente marina de 300 kW, fue instalada por Marine Current Turbines frente a la costa de Lynmouth , Devon , Inglaterra, en 2003. ^{[ 14 ]} El generador de turbina de 11 metros de diámetro se instaló sobre un pilote de acero hincado en el lecho marino. Como prototipo, se conectó a una carga de descarga, no a la red eléctrica.

En abril de 2007, Verdant Power ^{[ 15 ]} comenzó a operar un proyecto prototipo en el East River entre Queens y Roosevelt Island en la ciudad de Nueva York ; fue el primer gran proyecto de energía mareomotriz en los Estados Unidos. ^{[ 16 ]} Las fuertes corrientes plantean desafíos al diseño: las palas de los prototipos de 2006 y 2007 se rompieron y se instalaron nuevas turbinas reforzadas en septiembre de 2008. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Tras la prueba de Seaflow, Marine Current Turbines instaló un prototipo a escala real llamado SeaGen  en Strangford Lough, Irlanda del Norte, en abril de 2008. La turbina comenzó a generar a plena potencia, de poco más de 1,2 MW, en diciembre de 2008, ^{[ 19 ]} se informó que inyectó 150  kW a la red por primera vez el 17 de julio de 2008, y ahora ha contribuido con más de un gigavatio hora a los consumidores de Irlanda del Norte. ^{[ 20 ]} Actualmente es el único dispositivo a escala comercial que se ha instalado en todo el mundo. ^{[ 21 ]} SeaGen está compuesto por dos rotores de flujo axial, cada uno de los cuales acciona un generador. Las turbinas son capaces de generar electricidad tanto en marea baja como en marea alta porque las palas del rotor pueden girar 180°. ^{[ 22 ]}

Un prototipo de turbina mareomotriz flotante semisumergible con amarre, denominada Evopod, se ha estado probando desde junio de 2008 ^{[ 23 ]} en Strangford Lough, Irlanda del Norte, a escala 1/10. La empresa británica que la desarrolla se llama Ocean Flow Energy Ltd. ^{[ 24 ].} La forma avanzada del casco mantiene una orientación óptima hacia la corriente de marea y está diseñada para operar en el flujo máximo de la columna de agua.

En 2010, Tenax Energy de Australia propuso instalar 450 turbinas frente a la costa de Darwin, Australia , en el estrecho de Clarence . Las turbinas tendrían una sección de rotor de aproximadamente 15  metros de diámetro con una base de gravedad ligeramente mayor. Operarían en aguas profundas, muy por debajo de los canales de navegación. Se prevé que cada turbina genere energía para abastecer entre 300 y 400 hogares. ^{[ 25 ]}

Tidalstream, una empresa con sede en el Reino Unido, puso en funcionamiento una turbina Triton 3 a escala reducida en el Támesis en 2003. ^{[ 26 ]} Puede ser transportada flotando hasta su emplazamiento, instalada sin grúas, plataformas autoelevables ni buzos, y luego lastrada hasta su posición operativa. A escala real, la Triton 3 en aguas de 30 a 50 m de profundidad tiene una capacidad de 3 MW, y la Triton 6 en aguas de 60 a 80 m de profundidad tiene una capacidad de hasta 10 MW, dependiendo del caudal. Ambas plataformas permiten el acceso de personal tanto en la posición operativa como en la posición de mantenimiento flotante.

El informe de 2019 de la Plataforma Europea de Tecnología e Innovación para la Energía Oceánica (ETIP OCEAN), titulado "Alimentando hogares hoy, alimentando naciones mañana", destaca los volúmenes récord que se están suministrando mediante la tecnología de energía mareomotriz. ^{[ 27 ]}

Inventadas por Georges Darreius en 1923 y patentadas en 1929, estas turbinas pueden instalarse tanto vertical como horizontalmente.

La turbina Gorlov ^{[ 28 ]} es una variante del diseño Darrieus que presenta un diseño helicoidal que se encuentra en un proyecto piloto comercial a gran escala en Corea del Sur, ^{[ 29 ]} comenzando con una planta de 1 MW que abrió en mayo de 2009 ^{[ 30 ]} y expandiéndose a 90 MW para 2013. El proyecto Proteus de Neptune Renewable Energy ^{[ 31 ]} emplea una turbina de eje vertical cubierta que se puede utilizar para formar un conjunto principalmente en condiciones estuarinas.

En abril de 2008, Ocean Renewable Power Company, LLC (ORPC) completó con éxito las pruebas de su prototipo de unidad turbina-generador (TGU) patentada en los sitios mareomotrices de ORPC en Cobscook Bay y Western Passage, cerca de Eastport, Maine . ^{[ 32 ]} La TGU es el núcleo de la tecnología OCGen y utiliza turbinas de flujo cruzado de diseño avanzado (ADCF) para accionar un generador de imanes permanentes ubicado entre las turbinas y montado en el mismo eje. ORPC ha desarrollado diseños de TGU que pueden utilizarse para generar energía a partir de corrientes fluviales, mareomotrices y oceánicas de aguas profundas.

En el estrecho de Messina , Italia, comenzaron en 2001 las pruebas del concepto de turbina Kobold . ^{[ 33 ]}

Mediante medidas de aumento de caudal, como un conducto o una cubierta, se puede incrementar la potencia incidente disponible para una turbina. El ejemplo más común utiliza una cubierta para aumentar el caudal a través de la turbina, que puede ser axial o transversal.

La empresa australiana Tidal Energy Pty Ltd llevó a cabo con éxito ensayos comerciales de turbinas mareomotrices encapsuladas de alta eficiencia en Gold Coast, Queensland, en 2002. Tidal Energy instaló su turbina encapsulada en el norte de Australia, donde se registran algunos de los flujos más rápidos (11  m/s, 21  nudos). Dos turbinas pequeñas proporcionarán 3,5  MW. Se planificó otra turbina más grande, de 5  metros de diámetro, capaz de generar 800  kW con un flujo de 4 m/s, como proyecto piloto de desalinización  mediante energía mareomotriz cerca de Brisbane, Australia. ^{[ 34 ]}

Los dispositivos oscilantes no tienen un componente giratorio, sino que utilizan secciones de perfil aerodinámico que son empujadas lateralmente por el flujo. La extracción de energía de corriente oscilante se demostró con el molino de viento Wing'd Pump omnidireccional o bidireccional. ^{[ 35 ]} Durante 2003, se probó un  dispositivo hidroplano oscilante de 150 kW, el generador de corriente mareomotriz Stingray , frente a la costa escocesa. ^{[ 36 ] [ 37 ]} El Stingray utiliza perfiles hidrodinámicos para crear oscilación, lo que le permite generar energía hidráulica. Esta energía hidráulica se utiliza para alimentar un motor hidráulico, que a su vez hace girar un generador. ^{[ 1 ]}

Pulse Tidal opera un dispositivo de hidroala oscilante llamado generador Pulse en el estuario del Humber . ^{[ 38 ] [ 39 ]} Tras obtener financiación de la UE, están desarrollando un dispositivo a escala comercial que se pondrá en marcha en 2012. ^{[ 40 ]}

El sistema de conversión de energía mareomotriz bioSTREAM utiliza la biomimética de especies nadadoras, como tiburones, atunes y caballas, empleando su propulsión de modo tuniforme de alta eficiencia . Es producido por la empresa australiana BioPower Systems. ^{[ 41 ]}

En la Universidad Laval se desarrolló un  prototipo de 2 kW que utiliza dos hidroalas oscilantes en configuración en tándem, denominado turbina mareomotriz de ala oscilante. Este prototipo se probó con éxito cerca de la ciudad de Quebec, Canadá, en 2009. Durante las pruebas de campo se alcanzó una eficiencia hidrodinámica del 40 %. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

Los dispositivos de efecto Venturi utilizan una cubierta o conducto para generar un diferencial de presión que alimenta un circuito hidráulico secundario, el cual se utiliza para generar energía. Un dispositivo, el Hydro Venturi, se probará en la Bahía de San Francisco. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

Una turbina mareomotriz de cometa es un sistema de cometa submarina, o paraván , que convierte la energía de las mareas en electricidad al desplazarse a través de la corriente de la marea. Se estima que, a gran escala, estos dispositivos podrían cubrir el 1 % de las necesidades energéticas mundiales de 2011. ^{[ 46 ]}

Historia

Ernst Souczek de Viena, Austria, el 6 de agosto de 1947, solicitó la patente US2501696 ; cediendo la mitad a Wolfgang Kmentt, también de Viena. Su divulgación de la turbina de cometa de agua demostró un rico arte en turbinas de cometa de agua. En tecnología similar, muchos otros antes de 2006 desarrollaron sistemas avanzados de generación eléctrica de cometa de agua y paraván. En 2006, la empresa sueca Minesto desarrolló una turbina de cometa mareomotriz llamada Deep Green Kite . ^{[ 47 ]} Realizaron su primera prueba en el mar en Strangford Lough en Irlanda del Norte en el verano de 2011. La prueba utilizó cometas con una envergadura de 1,4 m. ^{[ 46 ]} En 2013, la planta piloto Deep Green comenzó a operar frente a las costas de Irlanda del Norte. La planta utiliza cometas de fibra de carbono con una envergadura de 8 m (o 12 m ^{[ 48 ]} ). Cada cometa tiene una potencia nominal de 120 kilovatios con una corriente de marea de 1,3 metros por segundo. ^{[ 49 ]}

Diseño

La cometa de Minesto tiene una envergadura de 8 a 14 metros (26 a 46 pies) . La cometa tiene flotabilidad neutra, por lo que no se hunde cuando la marea cambia de bajamar a marea alta. Cada cometa está equipada con una turbina sin engranajes para generar energía que se transmite mediante el cable de conexión a un transformador y luego a la red eléctrica. La boca de la turbina está protegida para proteger la vida marina. ^{[ 46 ]} La versión de 14 metros tiene una potencia nominal de 850 kilovatios a 1,7 metros por segundo. ^{[ 49 ]} 

Operación

La cometa está sujeta por un cable a un punto fijo. "Vuela" a través de la corriente que transporta una turbina. Se mueve en un bucle en forma de ocho para aumentar la velocidad del agua que fluye a través de la turbina diez veces. La fuerza aumenta con el cubo de la velocidad , lo que ofrece el potencial de generar 1000 veces más energía que un generador estacionario. ^{[ 46 ]} Esta maniobra significa que la cometa puede operar en corrientes de marea que se mueven demasiado lentamente para impulsar dispositivos mareomotrices anteriores, como la turbina SeaGen . ^{[ 46 ]} Se esperaba que la cometa funcionara en flujos tan bajos como 1–2,5 metros (3 pies 3 pulgadas – 8 pies 2 pulgadas) por segundo, mientras que los dispositivos de primera generación necesitan más de 2,5 s. Cada cometa tendrá una capacidad para generar entre 150 y 800 kW. Se pueden desplegar en aguas de 50 a 300 metros (160 a 980 pies) de profundidad. ^{[ 46 ]}       

Ha habido muchos proyectos de energía mareomotriz abandonados o pospuestos, algunos de los cuales se resumen aquí.

En noviembre de 2007, la empresa británica Lunar Energy anunció que, en colaboración con E.ON , construiría el primer parque de energía mareomotriz de aguas profundas del mundo frente a la costa de Pembrokeshire, en Gales; se esperaba que proporcionara electricidad a 5000 hogares. Se instalarían ocho turbinas submarinas, de 25  metros de largo y 15  metros de alto cada una, en el fondo marino frente a la península de St David's. La construcción debía comenzar en el verano de 2008 y estar operativa en 2010. ^{[ 62 ]} Lunar Energy se disolvió en 2019. ^{[ 63 ]}

Alderney Renewable Energy Ltd obtuvo una licencia en 2008 y planea utilizar turbinas mareomotrices para extraer energía de las fuertes corrientes de marea que rodean Alderney, en las Islas del Canal . Se estima que  se podrían extraer hasta 3 GW. Esto no solo abastecería las necesidades de la isla, sino que también dejaría un considerable excedente para la exportación, ^{[ 64 ]} utilizando un cable Francia-Alderney-Gran Bretaña (FAB Link) que se esperaba que entrara en funcionamiento en 2020. Este acuerdo se rescindió en 2017. ^{[ 65 ]}

En 2010, npower de RWE anunció que se asociaba con Marine Current Turbines para construir un parque mareomotriz de 10 MW con turbinas mareomotrices SeaGen S frente a la costa de Anglesey en Gales, ^{[ 66 ]} cerca de Skerries , con permiso de planificación otorgado en 2013. ^{[ 67 ]} Se esperaba que el parque estuviera completamente operativo para 2015, sin embargo, el proyecto se archivó en 2016 después de que Marine Current Turbines fuera adquirida por SIMEC Atlantis Energy. ^{[ 68 ]} 

En 2015, las empresas galesas Tidal Energy Ltd (TEL) y Eco2 tenían como objetivo desplegar un proyecto de demostración a escala comercial, con nueve turbinas en St Davids Head. ^{[ 69 ]} Sin embargo, TEL entró en concurso de acreedores menos de un año después de desarrollar y probar la  turbina DeltaStream de 400 kW en 2015. ^{[ 70 ]}

En marzo de 2014, la Comisión Federal Reguladora de Energía (FERC) aprobó una licencia piloto para que Snohomish County PUD instalara dos turbinas mareomotrices OpenHydro en Admiralty Inlet , Washington. Este proyecto es el primero de dos turbinas conectadas a la red en los Estados Unidos; la instalación está prevista para el verano de 2015. Las turbinas mareomotrices que se utilizarán están diseñadas para colocarse directamente en el lecho marino a una profundidad de aproximadamente 200 pies, de modo que no afecten a la navegación comercial. La licencia otorgada por la FERC también incluye planes para proteger los peces, la vida silvestre, así como los recursos culturales y estéticos, además de la navegación. Cada turbina mide 6 metros de diámetro y generará hasta 300  kW de electricidad. ^{[ 71 ]} En septiembre de 2014, el proyecto se canceló debido a preocupaciones sobre los costos. ^{[ 72 ]}

Nova Scotia Power seleccionó la turbina de OpenHydro para un proyecto de demostración de energía mareomotriz en la Bahía de Fundy, Nueva Escocia, Canadá, y a Alderney Renewable Energy Ltd para el suministro de turbinas mareomotrices en las Islas del Canal. ^{[ 73 ]} OpenHydro fue liquidada en 2018. ^{[ 74 ]}

ScottishPower Renewables planeó instalar diez dispositivos HS1000 de 1 MW diseñados por Hammerfest Strom en el estrecho de Islay en 2013. ^{[ 75 ] [ 66 ]}

Los convertidores de energía mareomotriz pueden tener diferentes modos de funcionamiento y, por lo tanto, diferentes potencias de salida. Si el coeficiente de potencia del dispositivo "${\displaystyle C_{P}}$Se conoce la siguiente ecuación para determinar la potencia de salida del subsistema hidrodinámico de la máquina. Esta potencia disponible no puede exceder la impuesta por el límite de Betz al coeficiente de potencia, aunque esto puede sortearse en cierta medida colocando una turbina en una cubierta o conducto . Esto funciona, esencialmente, forzando el paso del agua que no habría fluido a través de la turbina a través del disco del rotor. En estas situaciones, es el área frontal del conducto, en lugar de la turbina, la que se utiliza para calcular el coeficiente de potencia y, por lo tanto, el límite de Betz sigue aplicándose al dispositivo en su conjunto.

La energía disponible de estos sistemas cinéticos se puede expresar como:

${\displaystyle P={\frac {\rho AV^{3}}{2}}C_{P}}$

dónde:

${\displaystyle C_{P}}$= el coeficiente de potencia de la turbina

P = la potencia generada (en vatios)

${\displaystyle \rho }$= la densidad del agua (el agua de mar tiene una densidad de 1027 kg/ ^m³ )

A = área de barrido de la turbina (en ^m² )

V = la velocidad del flujo

En relación con una turbina abierta en flujo libre, las turbinas entubadas son capaces de generar hasta 3 o 4 veces más potencia que el mismo rotor de turbina en flujo libre. ^{[ 76 ]}

Si bien las evaluaciones iniciales de la energía disponible en un canal se han centrado en cálculos que utilizan el modelo de flujo de energía cinética, las limitaciones de la generación de energía mareomotriz son significativamente más complejas. Por ejemplo, la extracción máxima de energía física posible de un estrecho que conecta dos grandes cuencas se da con una precisión del 10 % según: ^{[ 77 ] [ 78 ]}

${\displaystyle P=0.22\,\rho \,g\,\Delta H_{\text{max}}\,Q_{\text{max}}}$

dónde

${\displaystyle \rho }$= la densidad del agua (el agua de mar tiene una densidad de 1027 kg/ ^m³ )

g = aceleración gravitatoria (9,80665 m/ ^s² )

${\displaystyle \Delta H_{\text{máx}}}$= elevación diferencial máxima de la superficie del agua a través del canal

${\displaystyle Q_{\text{máx}}}$= caudal volumétrico máximo a través del canal.