Costo futuro

Oct 13, 2023

Publicado el 28 de mayo de 2023 a las 22:37 por Harry Valentine

Hace unos 10 años, se instaló una turbina hidrocinética sumergida en la rápida corriente de una sección del río San Lorenzo, al suroeste de Montreal, Canadá. La autoridad energética de Quebec finalmente descontinuó la demostración y declaró que la tecnología no era competitiva en costos frente a la generación de energía hidroeléctrica convencional cuando se mide en términos de dólares por kilovatio-hora. El futuro de la tecnología de turbinas hidrocinéticas depende de una mayor producción a un costo competitivo frente a otras tecnologías renovables.

Introducción

Las comparaciones de costos realizadas relacionadas con la reparación y el mantenimiento de maquinaria indicaron que por cada $ 1.00 gastado en una ubicación en tierra, entre $ 10.00 y $ 100 se gastaron en una ubicación de superficie flotante en alta mar, mientras que $ 1,000 o más se pueden gastar en tecnología sumergida en las profundidades del agua.

La historia de las turbinas hidrocinéticas comenzó hace unos 4.000 años con ruedas hidráulicas que convertían la energía cinética del agua del río en potencia mecánica. Las primeras instalaciones estaban ubicadas a lo largo de la orilla de un río, con la sección inferior de la rueda hidráulica parcialmente sumergida en el agua que fluía, lo que a su vez hacía que la rueda girara.

Durante la década de 1980, la búsqueda de energía renovable limpia condujo a pruebas con molinos de viento submarinos o turbinas hidrocinéticas, el resultado de que el agua dulce tiene casi 850 veces la densidad del aire y el agua del océano tiene 870 veces la densidad. La potencia de salida es una función de la tasa de flujo másico de fluido a través de una turbina. Como resultado, las turbinas hidrocinéticas se mostraron muy prometedoras como una tecnología alternativa de energía limpia y renovable. La mayoría de los primeros constructores de turbinas hidrocinéticas instalaron las turbinas en marcos de soporte que descansaban sobre el lecho del río, como fue el caso del sureste de Montreal y otros lugares a nivel internacional.

Instalaciones de turbinas

La instalación de turbinas sumergidas involucraba un bote o un barco equipado con una grúa a bordo que transportaba las turbinas al sitio de instalación, donde la grúa bajaba posteriormente cada conjunto de turbina al lecho del río o del mar. El mantenimiento de las turbinas sumergidas requiere que los buzos trabajen bajo el agua o una embarcación equipada con una grúa para recuperar el ensamblaje de la turbina sumergida a la superficie, a un costo considerable. Asegurar las turbinas a las estructuras costeras o bajo tecnología flotante que los equipos de mantenimiento podrían abordar reduce los costos de mantenimiento. Empresas de Canadá y Escocia están desarrollando estructuras flotantes que transportan turbinas.

Mientras que la estructura flotante de Orbital Marine of Scotland lleva 2 turbinas de 1 megavatio cada una, la estructura flotante de Sustainable Marine of Canada lleva 6 turbinas. Una estructura flotante competidora de Big Moon de Canadá lleva una rueda hidráulica moderna. Todas las 3 tecnologías están diseñadas para ser remolcadas desde un punto de construcción costero hasta un punto de instalación en alta mar, donde los cables de amarre asegurarían los conjuntos de turbinas flotantes.

Big Moon coloca el semieje y el equipo generador de electricidad sobre el agua dentro de un recinto. Orbital Marine y Sustainable Marine construyen las estructuras flotantes para permitir que los equipos de mantenimiento accedan a las turbinas y los equipos generadores.

Dique seco móvil

El barco semisumergible conocido como dique seco móvil puede sumergirse bajo el casco de un barco siniestrado antes de elevarlo sobre el agua. Esa tecnología podría adaptarse para transportar la tecnología de conversión de energía cinética oceánica flotante a gran escala boca abajo en su cubierta, desde un sitio de construcción o ensamblaje en la costa hasta un sitio en alta mar adecuado antes de sumergirse para hacer flotar el ensamblaje de la turbina fuera de su cubierta. La combinación de tanques de lastre, pontones y cables de grúa ayudaría a hacer rodar el ensamblaje de la turbina antes de que flote sobre la cubierta de un dique seco móvil.

Al llegar al sitio de instalación, se conectarían cables para asegurar el ensamblaje de la turbina flotante en las corrientes de marea adecuadas. La tecnología de dique seco móvil permite una mayor flexibilidad en el diseño futuro de conjuntos de turbinas flotantes a gran escala que ofrecen una salida de alta potencia a un costo competitivo. El futuro desarrollo del mercado para la tecnología de energía de conversión oceánica depende de la innovación que aumente la producción de energía a un costo competitivo, siendo esencial la facilidad de acceso a la maquinaria para realizar el mantenimiento y la reparación de rutina. Un mercado ampliado para la tecnología justificaría el costo de desarrollar tecnología semisumergible dedicada capaz de transportar conjuntos de turbinas.

Turbinas de río

Las turbinas hidrocinéticas basadas en ríos tradicionales involucraban una estructura construida a lo largo de la orilla de un río con un eje que se extendía alejándose de la tierra y perpendicular al flujo del río. Tales ruedas hidráulicas sirvieron a las comunidades durante un período de siglos realizando una variedad de tareas. Big Moon de Canadá está desarrollando una rueda hidráulica moderna capaz de operar en poderosas corrientes de agua. Una estructura flotante puede llevar la rueda hidráulica a mitad de la corriente, mientras que un edificio costero puede llevar la rueda hidráulica junto a la orilla, para permitir un fácil acceso para el mantenimiento de los equipos de generación eléctrica y de la turbina.

El lado aguas arriba de los pilares del puente a lo largo de los ríos de flujo rápido proporciona ubicaciones rentables para asegurar las carcasas de las turbinas hidrocinéticas de eje vertical. Si bien la parte inferior de la carcasa de la turbina podría descansar sobre el lecho del río, el pilar del puente también podría soportar el peso del conjunto de la carcasa. Exponer un sector de 120 grados de la circunferencia de la rueda hidráulica de una rueda hidráulica de eje transversal o eje vertical a la corriente del río debería proporcionar una eficiencia de conversión competitiva a las turbinas de flujo axial. Habría potencial para apilar ruedas hidráulicas de eje vertical o turbinas en ejes de transmisión de longitud extendida para aumentar la potencia de salida a un costo competitivo.

Turbinas más grandes y más fuertes

Durante los últimos 20 años, las turbinas hidrocinéticas sumergidas de varios constructores diferentes que se instalaron en diferentes corrientes de agua de flujo rápido sufrieron la rotura de las palas de la turbina, especialmente en los canales alrededor de la Bahía de Fundy en Canadá. En lugar de extender los álabes de la turbina hacia afuera desde un eje central, un fabricante de turbinas extiende los álabes de la turbina hacia adentro desde un anillo giratorio instalado en una carcasa de tubería tubular de gran diámetro. Ese precedente de diseño proporciona una base para combinar un eje central con una carcasa tubular de gran diámetro para duplicar potencialmente el radio total de las palas de la turbina, elevando el área de barrido y la potencia de salida en un factor de cuatro.

El futuro de la conversión de energía de turbinas hidrocinéticas dependerá del aumento de la producción de energía a un costo competitivo. Sería esencial el desarrollo de álabes de turbina de gran diámetro capaces de operar de manera sostenida en corrientes severas. Las turbinas hidrocinéticas de tipo rueda de agua anteriores eran susceptibles a incidentes de rotura cuando operaban en corrientes de agua poderosas. Si Big Moon of Canada es capaz de desarrollar su rueda hidráulica moderna para soportar la operación sostenida en las severas corrientes de la Bahía de Fundy, es probable que las versiones ampliadas de su tecnología tengan una aplicación futura en instalaciones fluviales y en la operación de generación de energía flotante en alta mar.

Mientras que la turbina gemela flotante más potente ofrece 2 megavatios de potencia, las futuras turbinas de flujo libre probablemente generarán una producción mucho mayor. Se están realizando muchas investigaciones sobre la conversión de energía hidrocinética e incluyen conceptos tales como cometas que vuelan en picado bajo el agua que viajan perpendicularmente y a mayor velocidad que la corriente de agua circundante.

Opción de eje vertical flotante

La opción de una estructura flotante con turbinas gemelas de eje vertical que giran en sentido contrario ofrece el potencial de una tecnología de generación de energía rentable y eficiente. Un deflector aguas arriba puede exponer un sector de 120 grados de cada turbina que se mueve aguas abajo con la corriente de agua mientras protege el área de la turbina que se mueve aguas arriba contra la corriente, reduciendo así la resistencia parásita y aumentando la eficiencia. La operación de eje vertical permite que los generadores eléctricos y los principales cojinetes superiores que soportan el peso de cada turbina se coloquen sobre el agua dentro de la estructura flotante y sean de fácil acceso para los equipos de mantenimiento.

Un cojinete superior basado en un riel circular y ruedas cónicas podría soportar el peso de cada pila de turbinas o ruedas hidráulicas. El diseño debería permitir que los gatos hidráulicos eleven ligeramente cada turbina para permitir el reemplazo periódico de las ruedas de rodillos. Un rodamiento inferior sobredimensionado con guías y rodillos cerámicos soportaría cargas laterales y se reemplazaría periódicamente por buzos o tecnología futura de control remoto. Es posible que los sistemas flotantes de la competencia que utilizan turbinas de flujo axial deban inclinarse 90 grados o volcarse 180 grados para permitir el mantenimiento de los cojinetes y los generadores eléctricos.

Conclusiones

Si bien las turbinas hidrocinéticas de flujo libre modernas muestran un gran potencial para generar energía eléctrica libre de carbono, hay muy pocos lugares a nivel internacional donde dicha tecnología genera energía eléctrica para los mercados cercanos. El desarrollo de versiones modernas de la tecnología para reemplazar las ruedas hidráulicas clásicas ha estado en curso durante varias décadas. Las fuertes corrientes de agua han destruido varias turbinas hidrocinéticas modernas en las fuertes corrientes que fluyen alrededor de la Bahía de Fundy en Canadá. La tecnología debe ofrecer la combinación de durabilidad en condiciones climáticas severas, alta potencia de salida, facilidad de mantenimiento y competitividad en costos frente a otras tecnologías renovables durante una vida útil prolongada.

Las severas condiciones actuales alrededor de la Bahía de Fundy requieren que se aplique una innovación de alto nivel para desarrollar aún más la tecnología de turbinas hidrocinéticas. Es probable que dicha innovación tenga potencial para expandir la aplicación de mercado de la tecnología hidrocinética en el servicio nacional canadiense, así como en el servicio internacional.

Las opiniones expresadas aquí son del autor y no necesariamente las de The Maritime Executive.