Estudio de una planta híbrida mareomotriz de doble cuenca/solar PV para su aplicación a tecnologías del agua

i –– Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Sistemas de Energía Térmica Estudio de una planta híbrida mareomotriz de doble cuenca/solar PV para su aplicación a tecnologías del agua Autor: Marta María Guillén de la Oliva Tutores: Lourdes García Rodríguez Agustín Delgado Torres Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 iii Trabajo Fin de Máster Sistemas de Energía Térmica Estudio de una planta híbrida mareomotriz de doble cuenca/solar PV para su aplicación a tecnologías del agua Autor: Marta María Guillén de la Oliva Tutores: Dra. Lourdes García Rodríguez Dr. Agustín Delgado Torres Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 v Trabajo Fin de Grado: Estudio de una planta híbrida mareomotriz de doble cuenca/solar PV para su aplicación a tecnologías del agua Autor: Marta María Guillén de la Oliva Tutores: Lourdes García Rodríguez Agustín Delgado Torres El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal vii Agradecimientos Aunque hacer este proyecto ha sido como una montaña rusa de emociones, con acelerones y frenazos, con giros bruscos y con una larga cuarentena de por medio en menos de un año y medio, hoy por fin sale a la luz, terminado y con mucha ilusión y orgullo. Y es por eso por lo que quiero dar las gracias a las personas que me han ayudado a conseguirlo después de todo, con su apoyo y aportación, cada uno en su medida, pero siempre tan importantes. A mi ingeniero informático preferido, por ayudarme con las preguntas tontas de programación, planteadas una y otra vez, del derecho y del revés, hasta conseguir entenderlo todo. Por eso, y por un millón de cosas más. A mis compañeros de carrera, a esos pocos pero grandes amigos que me llevé de ella, por ayudarme en la distancia con palabras de aliento y hasta buscando en el baúl de los recuerdos apuntes de asignaturas cursadas hace ya cinco años para salvarme de los momentos de agobios en los que no conseguía avanzar. A mis amigas de toda la vida, esas que preguntan día sí, día también, cómo estoy, si hacemos videollamada para hacer más ameno el encierro o si nos vamos a la playa, de viaje o de rutas convirtiendo los fines de semana en unos de película. A mi familia, por hacer que sigamos adelante todos juntos después de este comienzo de año tan desagradable para todos, por hacer posible que “lo que él unió, que no lo separe nada ni nadie”. Por las mil cosas que nos quedan por vivir, sean del tipo que sea, pero siempre juntos. Y, sobre todo a vosotros, Lourdes y Agustín. Por la ayuda prestada, por tener tanta paciencia conmigo, por entender los difíciles momentos por los que he pasado y estar encima mía hasta que me viera segura de mí misma, haciéndome superarlo entretenida en este maravilloso trabajo. Gracias. Marta María Guillén de la Oliva ETSI Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 ix Resumen Existen diferentes fuentes para la obtención de energía eléctrica y es sabido que las mejores opciones para realizarlo de una manera limpia y con el menor impacto medioambiental son las energías renovables, a pesar de ser fuentes menos constantes. En este proyecto va a tomar protagonismo la energía marina, realizando un estudio del funcionamiento de una central mareomotriz basada en un sistema de doble cuenca. Los resultados obtenidos de este estudio van a ser comparados con los ya obtenidos en un estudio previo sobre una central mareomotriz basada en un sistema de simple efecto. Posteriormente, se continúa con el estudio comparativo realizando, para cada una de las centrales mareomotrices, una hibridación de energía marina - solar fotovoltaica. La generación de energía producida por estas hibridaciones va a abastecer el consumo energético de una planta de desalación de agua de mar. Este proceso de desalación de agua es una solución a la escasez de agua apta para el consumo que existe en diversos puntos del planeta, las zonas más áridas, produciendo agua a partir del tratamiento de agua de mar. Figura 7-5. Comparación perfil de potencia producida de ambas hibridaciones 42 Figura 7-6. Comparación perfil de energía generada diariamente de ambas hibridaciones 43 Figura 0-1. Comportamiento de la central mareomotriz de simple efecto el día de máxima producción de energía. 53 Figura 0-2. Comportamiento de la central mareomotriz de simple efecto el día 29 de marzo de 2018, correspondiendo a un día de producción media-baja. 53 Figura 0-3. Comportamiento de la central mareomotriz de simple efecto el día 24 de mayo de 2018, correspondiendo a uno de los días de menor producción, sin llegar a ser nula. 54 Figura 0-4. Perfil de potencia para los dos sistemas híbridos en estudio: Solar PV – Simple efecto (arriba) y Solar PV – Doble cuenca (abajo) y comparación de potencias totales (medio) para el día 1 de julio de 2018. 55 xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 6-1. Comparación resultados generales de ambas tecnologías 35 Tabla 7-1. Comparación resultados generales de ambas hibridaciones 39 Tabla 8-1. Tabla comparativa de resultados de producción de agua para los casos en estudio. 47 1 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Objetivos En la actualidad, gran parte de la energía generada proviene del petróleo y otros combustibles fósiles, lo que genera grandes emisiones de gases de efecto invernadero perjudiciales para la salud. Es por eso por lo que se debe investigar, dar a conocer y apostar por métodos de generación menos perjudiciales para las personas y para el planeta en general, como lo son las energías renovables. Del mismo modo, existen localizaciones a lo largo del mundo donde es necesaria la desalación de agua de mar a partir de distintos tratamientos, dado que no se dispone de la cantidad suficiente de agua dulce para la vida cotidiana allí. El objetivo de este proyecto consiste en realizar un análisis técnico de la combinación de dos tecnologías renovables como lo son la energía marina y la energía solar fotovoltaica con el fin de abastecer energéticamente a una planta desaladora en uno de estos lugares áridos o semiáridos del planeta. Para la realización de este estudio se ha adoptado la idea de diseñar una central mareomotriz de doble cuenca como la descrita y estudiada en el proyecto [ 2 ] y la idea de combinarla con fotovoltaica y la localización idónea para ambos recursos del proyecto [ 1 ] y el posterior artículo publicado del mismo [ 3 ]. Al finalizar el estudio del diseño y funcionamiento de la central mareomotriz de doble cuenca, se realizará una comparación con los resultados obtenidos en el caso de una central mareomotriz de ciclo de simple efecto [ 1 ]. Para ello se adoptará, además de la misma localización, el mismo periodo de estudio, el año 2018. 1.2 Energía marina El 70% de nuestro planeta está cubierto por agua, formando océanos y mares. En ellos se puede encontrar un gran potencial para generar energía de forma limpia e inagotable. Las características y el comportamiento de las aguas oceánicas se deben a su temperatura y salinidad. Existen diversas formas de generar energía a través del mar y los océanos, según sus diferentes maneras de almacenar energía. La demanda actual de energía primaria para la actividad humana equivale a 15,18 millones de MW [ 6 ]. Se destacan los siguientes potenciales energéticos asociados a las distintas energías provenientes de los mares y océanos: - Gradientes térmicos: 40 000 millones de MW. - Gradientes salinos: 1 400 millones de MW. - Corrientes marinas: 5 millones de MW. - Mareas: 3 millones de MW. - Olas: 2,5 millones de MW. El agua es la fuerza motriz de toda la naturaleza. - Leonardo da Vinci- Introducción 2 1.2.1 Energía de las Olas 1.2.1.1 Origen de energía Se produce principalmente por la acción del viento. La altura de las olas depende de la velocidad, duración y permanencia de la dirección de éste, siendo de mayor altura cuanto mayor sea la permanencia. Como puede observarse en la Figura 1-1, las olas se caracterizan por: - Cresta: parte superior de la ola. - Valle: seno entre dos olas consecutivas. - Longitud de onda (λ): distancia horizontal entre dos crestas consecutivas. - Altura (H): diferencia vertical entre cresta y valle. Figura 1-1. Características de una ola. 1.2.1.2 Generación de energía La energía de las olas es enorme comparada con el consumo actual en el mundo, aun contando únicamente con la fracción explotable. Pero su aprovechamiento se encuentra limitado a las zonas costeras y sitios cercanos. Estudios estiman un potencial mundial de 2 TW y una energía generable de 17500 TWh/año. El límite explotable se encuentra entre un 10 y 25%, por lo que este tipo de energía puede contribuir de manera significativa en la cobertura de la energía demandada [ 6 ] [ 7 ]. Pero la energía que una ola posee depende de diferentes factores, por lo que no es una solución tan perfecta como se presenta a simple vista. Existen distintos dispositivos a través de los cuales poder captar la energía que posee la ola y convertirla en energía eléctrica. Son los siguientes: - Viga articulada: es la primera patente de la que se tiene conocimiento y en ella se muestra un dispositivo consistente en una viga articulada en su anclaje en la costa y una boya en el otro extremo en el mar. Con los movimientos de ascenso y descenso se accionaría algún tipo de pistón para posteriormente generar electricidad. - Boya Masuda: consiste en una cámara flotante semisumergida que permite que, con el ascenso y descenso del nivel del agua en el interior debido a las olas, exista una corriente de aire entrando y saliendo de dicha cámara por distintas válvulas. Al subir el nivel del agua el aire debe salir de la cámara 3 por una de las válvulas haciendo que pase previamente por una turbina accionándola y generando electricidad mediante un generador conectado a ella. Cuando el nivel del agua desciende el aire entra por otra válvula haciendo un recorrido distinto sin ponerse en contacto con la turbina. - Balsa de Cockerell: se trata de un conjunto de flotadores unidos entre sí mediante una articulación que acciona un pistón con el movimiento relativo que se produce entre estos flotadores. Estos actúan sobre un generador eléctrico produciendo electricidad. - Pato de Salter: la sección transversal de este dispositivo tiene forma de leva excéntrica y funciona teniendo sumergida dentro del agua la parte circular y fuera del agua las palas. De este modo, las olas hacen que las palas se muevan oscilando respecto al eje. Este movimiento acciona una serie de bombas hidráulicas que mueve un generador eléctrico y produce electricidad. - Rectificador de Russel: mediante este dispositivo se consigue transformar el movimiento de las olas es un flujo lineal de agua accionando una turbina. Consiste en un tanque situado en zonas de poca profundidad paralelo al frente de ola. Existen dos niveles con una compuerta cada uno de ellos. La compuerta del nivel superior se abre al chocar la cresta de la ola y permite el paso del agua, pero no que se escape de nuevo. El agua se almacena en el nivel superior y por gravedad cae al depósito del nivel inferior pasando por una turbina. Cuando se produce el valle de la ola, por diferencia de presiones se abre la compuerta del nivel inferior y permite drenar el agua de él. La turbina se encuentra conectada a un generador eléctrico produciendo electricidad. - Sistema Pelamis: se trata de un conjunto de secciones cilíndricas que se encuentran parcialmente sumergidas en el mar unidas entre ellas por una bisagra. La ola hace que estos cilindros se muevan creando un movimiento relativo entre las secciones que activa un sistema de bombeo hidráulico, el cual mueve un generador eléctrico que produce electricidad. Este dispositivo está diseñado atendiendo más a la resistencia a las condiciones marinas que a la eficiencia de la conversión de energía, dado que, de toda la energía disponible en una ola, solo convierte una porción. 1.2.2 Energía mareomotriz 1.2.2.1 Origen de energía Los mares y océanos experimentan un ascenso y descenso del nivel del agua con respecto a la costa como resultado de la fuerza de atracción gravitatoria sobre la Tierra que ejercen tanto el Sol como la Luna, siendo mayor y, por lo tanto, la principal causante la atracción lunar. Este cambio del nivel del agua del mar se denomina marea. El nivel del agua cambia cada 6 horas en la mayoría de los puntos del planeta alcanzando un nivel máximo (pleamar) y un nivel mínimo (bajamar). El cambio de niveles se debe a la rotación de la Tierra sobre su eje. Generalmente se producen dos pleamares y dos bajamares. La diferencia de altura que se produce entre los niveles extremos de marea (pleamar y bajamar) se denomina amplitud de la marea. El ascenso progresivo del nivel del mar se denomina flujo y el descenso progresivo del mismo se denomina reflujo. La amplitud de las mareas es distinta según el lugar del planeta, desde nula o casi nula en los mares interiores, como el Mar Mediterráneo o el Mar Negro, hasta amplitudes de 16,3 metros en la Bahía de Fundy, en Canadá. Algunos de los motivos por el cual se dan estas diferencias según el lugar es el efecto de la atracción gravitatoria del Sol y la Luna, además de la inclinación del eje de rotación de la Tierra. Introducción 4 Figura 1-2. Mareas según latitud [ 8 ]. La inclinación del eje de rotación de la tierra provoca que, dependiendo de la latitud en la que se localice, se pueden observar tres tipos de mareas (Figura 1-2): - En la latitud AB aparecen las llamadas mareas mixtas, consistentes en dos mareas al día, una de mayor amplitud que la otra. - En la latitud CD aparece la denominada marea diurna, es decir, sólo se da una marea durante el día. - Por último, en la latitud EF, el ecuador, se tienen mareas semidiurnas, dándose dos mareas similares (de la misma amplitud) a lo largo del día. Esto ocurre de la misma forma para el hemisferio norte y el hemisferio sur. Figura 1-3. Efecto del Sol y La Luna sobre las mareas [ 8 ]. 5 Además, la amplitud de las mareas dependerá también de la fase lunar (Figura 1-3). Las mareas serán más amplias cuando se da la luna llena o luna nueva, puesto que el efecto de atracción gravitatoria por el Sol y la Luna se suman al estar alineados. Por el contrario, serán menores cuando la Luna esté en cuarto creciente y cuarto menguante dado que se reparte el efecto de la atracción gravitatoria. 1.2.2.2 Generación de energía Cuando la diferencia de altura del agua entre la pleamar y la bajamar es lo suficientemente grande, se tiene una energía potencial hidráulica que puede transformarse en energía cinética capaz de mover una turbina para la producción de electricidad. Normalmente, se considera que no es rentable la instalación de una central mareomotriz para el aprovechamiento de esta energía en localizaciones con amplitudes de marea menores a 5 metros. Para conseguir la energía potencial que nos proporciona la diferencia de altura del agua es necesario la construcción de un dique que cierre una determinada bahía capaz de recoger y almacenar el agua cuando sube la marea. Según el método de producción de energía se pueden diferencia distintos tipos: - Ciclo de simple efecto: Las centrales de este tipo disponen de un único embalse, cuya función es retener el agua cuando se produce la pleamar. A través de las compuertas abiertas entra el agua en dicho embalse. En el momento en el que ambas cotas (nivel del mar y nivel del embalse) se igualan, las compuertas se cierran a la espera de que la diferencia de altura que se produce por la bajada de la marea sea suficiente para poner en marcha las turbinas y hacer pasar el agua por ellas generando electricidad. El aprovechamiento de la energía únicamente se produce en el vaciado del embalse, por lo que sólo se produce dos veces en el día, en el caso de que se den dos mareas. - Ciclo de doble efecto: En este caso se dispone nuevamente de un único embalse, con la diferencia de que se aprovecha la diferencia de altura que se produce tanto el llenado como el vaciado de éste. Para ello es necesario una canalización de entrada y otra de salida, con las turbinas orientadas en sus respectivos sentidos. Se pueden encontrar también instalaciones en las que exista una única canalización con turbinas capaces de trabajar en ambos sentidos. Con este método se produce electricidad hasta 4 veces en el día en el caso de que se den dos mareas, pero se sigue produciendo energía de manera interrumpida, no continua. - Ciclo de múltiple efecto: Consiste en la utilización de varios embalses con el fin de reducir los tiempos de baja producción. Se juega con la altura de estos embalses y el mar consiguiendo que, en condiciones y localizaciones favorables, la producción sea continua, aunque no constante en cuanto a valor de potencia producida. 1.2.3 Corrientes marinas 1.2.3.1 Origen de energía La energía solar genera diferencias de temperatura en las aguas que favorecen el movimiento de grandes masas de agua, desplazándose en el océano siguiendo trayectos cíclicos y constantes. Además, el contacto con el viento también provoca movimiento de las aguas de la superficie oceánica. Existen dos corrientes importantes en la Tierra [ 6 ]: - Corrientes cálidas: se encuentran principalmente en el hemisferio norte. Son corrientes superficiales originadas en zonas intertropicales de las costas orientales de América del Norte y Asia que se dirigen a latitudes medias y altas en dirección contraria a la rotación de la Tierra. - Corrientes frías: se deben a la rotación terrestre. Corrientes de aguas profundas y frías. Generadas en las costas occidentales de los continentes que se dirigen a las zonas intertropicales y subtropicales. Introducción 6 Figura 1-4. Corrientes principales de la Tierra [ 9 ] 1.2.3.2 Generación de energía Se trata de movimientos horizontales del agua producidos por las subidas y bajadas de las mareas. Son mayores estas corrientes en canales más estrechos. No existe gran diferencia entre la generación de energía a partir de las corrientes marinas y la energía eólica más que en la densidad del fluido. Esta energía cinética del agua se aprovecha mediante turbinas similares a las eólicas sumergidas entre 20 y 30 metros de profundidad. Existen turbinas de eje horizontal (de hélice) con dos o más palas, que son fijadas al fondo marino o unidas a un soporte flotante, y turbinas de eje vertical con rotores de flujo cruzado [ 6 ]. Estas turbinas son de tamaño mucho menor que las turbinas eólicas debido a que la densidad del agua es mayor que la del aire. Algunos tipos de turbinas se describen a continuación. - Turbinas de eje horizontal: En los comienzos, las turbinas instaladas de eje horizontal operaban en un único sentido. Más tarde, al obtener buenos resultados de esta primera, se diseñó y construyó turbinas que operaban en ambos sentidos. Por último, un sistema de amarre de las turbinas (TidEl) permite que las turbinas se auto alineen con la dirección del flujo y por lo tanto puedan operar en cualquier dirección y sentido. En emplazamientos con aguas profundas, que es donde se encuentra la mayoría del recurso existente en el planeta, es necesario que la turbina esté sujeta a un soporte flotante. - Turbinas de eje vertical: Las turbinas de eje vertical tienen sus palas diseñadas de tal manera que puedan ser accionadas, y por tanto hagan rotar el eje, con cualquier dirección de la corriente. Al igual que las turbinas de eje horizontal, pueden estar sujetas al fondo marino o a una plataforma flotante. - Hidroplano: Este dispositivo se mueve de manera oscilatoria con el flujo de las corrientes marinas de manera similar al movimiento de la cola de un pez. Este movimiento permite accionar un pistón o cilindro hidráulico que permite la generación de energía eléctrica al ser conectado el motor hidráulico a un generador eléctrico. 7 1.2.4 Otros tipos - Energía térmica Se estudia desde hace medio siglo la posibilidad de producir electricidad aprovechando las diferencias de temperatura entre las aguas frías del fondo y las superficiales calentada por el Sol en las zonas tropicales, pero la tecnología sigue en fase de investigación y desarrollo. Entre estos dos puntos océanos existe una diferencia de temperatura que puede ir desde -2ºC a 25ºC Se genera energía si la diferencia de temperatura es de 20ºC. - Gradientes de salinidad Cada mar y océano tiene una salinidad determinada. En los puntos en los que dos mares u océanos se ponen en contacto existe una diferencia de presiones osmóticas que pueden ser aprovechadas para la generación de energía a través de electrodiálisis inversa. Descripción de la tecnológica de la central mareomotriz de doble cuenca 14 Figura 3-2. Variación del nivel de agua y potencia máxima de la primera quincena de enero. [ 2 ] Para entender bien el modo de operación de esta central, con ayuda de la figura se describirá el proceso desde cada cuenca. Ha de tenerse en cuenta que la generación de energía es ininterrumpida, lo que significa que el paso de agua de la cuenca superior a la cuenca inferior es continuo y que el nivel de la cuenca superior siempre va a ser mayor que el de la cuenca inferior. En color azul se representa el nivel del mar del día tipo escogido. En color rojo la potencia máxima generada por turbina. Si se observa la evolución del nivel de la cuenca superior (representado en color marrón), se puede ver cómo, tras la apertura de las compuertas (punto naranja), al ser superior el nivel del mar, la cuenca se llena hasta el momento en el que el nivel de ésta y el mar vuelven a coincidir durante la bajada de la marea, momento en el que se cierran las compuertas (punto morado). Una vez cerradas, al seguir pasando agua de la cuenca superior a la inferior, el nivel disminuye hasta el momento en el que el nivel del mar coincide nuevamente con el de la cuenca superior, esta vez subiendo la marea, momento en el que se vuelven a abrir las compuertas para que la cuenca superior vuelva a tener el máximo nivel que le permite la marea de ese momento. Ahora bien, observando la evolución del nivel de la cuenca inferior (representado en color verde), tras el cierre de las compuertas por la superioridad del nivel del mar, al ser ininterrumpido el paso de agua proveniente de la cuenca superior, el nivel aumenta. Esto ocurre hasta el momento en el que el nivel coincide de nuevo con el nivel de mar cuando la marea está bajando. Es en este momento cuando las compuertas se abren y la cuenca drena agua hasta llegar al mínimo nivel que la marea le permite. 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 20 Hours 1st Half of January Tide (m) High Basin Level (m) Low Basin Level (m) Power (Per Turbine) (MW) Gate opening Gate closing 15 Cuando la marea sube y los niveles vuelven a coincidir, se cierran las compuertas a la espera de la siguiente bajada para volver a drenar. Puede observarse que la potencia máxima generada por una sola turbina varía al variar la diferencia de altura entre las dos cuencas, siendo mayor cuando la diferencia de altura es mayor y menor cuando los niveles son más próximos entre sí. Descripción de la tecnológica de la central mareomotriz de doble cuenca 16 17 4 MODELO DE LA CENTRAL MAREOMOTRIZ 4.1 Ecuaciones conceptuales En la central mareomotriz de doble cuenca, el parámetro del que depende la potencia producida y la cantidad de energía generada por la turbina es la diferencia de altura entre ambas cuencas, por lo que se deberá controlar los niveles de éstas en todo momento. 𝐻(𝑡𝑖)=[𝐻𝐻𝑖𝑔ℎ(𝑡𝑖)−𝐻𝐿𝑜𝑤(𝑡𝑖)] Siendo HHigh (m) el nivel de la cuenca superior, HLow (m) el nivel de la cuenca inferior y H (m) la diferencia entre ambos niveles. Existen una diferencia de altura mínima para el funcionamiento de la turbina que deberá tenerse en cuenta a la hora de programar el funcionamiento de ésta. Se define como HSt (m) a la diferencia de altura mínima para que la turbina arranque, desde una posible parada de esta, y comience a generar energía; y como Hmin (m) a la diferencia de altura mínima de operación, es decir, con la turbina en funcionamiento, al alcanzar ese valor, la turbina se detendrá. La diferencia de altura mínima para el arranque de la turbina es mayor que la mínima de operación (HSt > Hmin). Los niveles de las cuencas son variables con el tiempo dado el traspaso de agua ininterrumpido de la cuenca superior a la inferior y el llenado y vaciado de las mismas con respecto al mar a través de las compuertas. De este modo, puede definirse la variación en cada momento de dichos niveles mediante las siguientes ecuaciones [ 3 ], que corresponden a los balances de materia dividido por la correspondiente área: 𝐻𝐻𝑖𝑔ℎ(𝑡𝑖+1)=𝐻𝐻𝑖𝑔ℎ(𝑡𝑖)−𝑛𝑡·𝑄𝑓𝑙𝑜𝑤(𝑡𝑖)·∆𝑡 𝐴𝐻𝑖𝑔ℎ +𝐻𝑖𝑛(𝑡𝑖) 𝐻𝐿𝑜𝑤(𝑡𝑖+1)=𝐻𝐿𝑜𝑤(𝑡𝑖)+𝑛𝑡·𝑄𝑓𝑙𝑜𝑤(𝑡𝑖)·∆𝑡 𝐴𝐿𝑜𝑤 −𝐻𝑜𝑢𝑡(𝑡𝑖) Siendo AHigh (m²) el área de la cuenca superior, ALow (m²) el área de la cuenca inferior, nt el número de turbinas funcionando en la central, Qflow (m³/s) el caudal volumétrico de agua que pasa por la turbina, Hin (m) la cantidad de agua, medida en altura, que entra desde el mar a la cuenca superior y Hout (m) la cantidad de agua, medida en altura, que sale de la cuenca inferior al mar. Estos dos últimos parámetros (Hin y Hout) aparecerán en la ecuación dependiendo de los niveles instantáneos del mar y de cada cuenca de la siguiente manera: 𝐻𝑖𝑛{>0, 𝑠𝑖 𝐻𝑠𝑒𝑎 ≥𝐻𝐻𝑖𝑔ℎ =0, 𝑠𝑖 𝐻𝑠𝑒𝑎 ≤𝐻𝐻𝑖𝑔ℎ 𝐻𝑜𝑢𝑡{>0, 𝑠𝑖 𝐻𝑠𝑒𝑎 ≤𝐻𝐿𝑜𝑤 =0, 𝑠𝑖 𝐻𝑠𝑒𝑎 ≥𝐻𝐿𝑜𝑤 Qflow (m³/s) representa el caudal volumétrico de agua que pasa por una turbina, y es determinado según el modelo de turbina instalada y dependiendo de la diferencia de altura entre las dos cuencas (H). Modelo de la central mareomotriz 18 Ahora, se necesita saber cuánto es el valor de esas alturas que se deben a la recuperación de altura en la cuenca superior y el drenaje en la inferior por sus respectivas compuertas, y para ello se resuelve un problema de mecánica de fluidos. Ha de tenerse en cuenta que en cada momento se deberá actualizar los datos de altura a ambos lados del dique con los que resolvemos las ecuaciones. En primer lugar, se estudia cómo se produce el llenado de la cuenca superior, es decir, la entrada de agua desde el mar. Figura 4-1. Esquema del llenado de la cuenca superior de la central mareomotriz. Como puede observarse en la Figura 4-1, para que la cuenca superior se llene con el agua proveniente del mar, el nivel del mar debe ser superior al nivel de la cuenca superior. Para conocer la cantidad de agua que entra, se estudian los dos puntos que se han marcado en la figura. Se resuelve el problema planteado mediante las siguientes ecuaciones: 𝑃1=𝑃𝑎+𝜌·𝑔·𝐻𝑠𝑒𝑎 𝑃01−𝑃02 =𝑘·1 2·𝜌·𝑣𝑖𝑛 2 → 𝑃1−𝑃2−1 2·𝜌·𝑣𝑖𝑛 2=𝑘·1 2·𝜌·𝑣𝑖𝑛 2 𝑃2=𝑃𝑎+𝜌·𝑔·𝐻𝐻𝑖𝑔ℎ P0i representa la presión de remanso, presión total, que es la suma de la presión estática y la presión dinámica, calculándose a partir de la siguiente ecuación: 𝑃0𝑖 =𝑃𝑖+1 2·𝜌·𝑣 A partir de estas ecuaciones se despeja el valor de la velocidad a la que pasa el agua por las compuertas desde el lado del mar al lado de la cuenca superior: 1 2 19 𝑣𝑖𝑛 =[𝑔·(𝐻𝑠𝑒𝑎−𝐻𝐻𝑖𝑔ℎ) (𝑘+1 2)]1 2 → 𝑄𝑖𝑛 =𝑣𝑖𝑛 ·𝐴𝑖𝑛 𝑉𝑖𝑛 =𝑄𝑖𝑛 ·∆𝑡 → 𝐻𝑖𝑛 =𝑉𝑖𝑛/𝐴𝐻𝑖𝑔ℎ Para este trabajo consideraremos nulas las pérdidas producidas en el paso por la compuerta, por lo que k = 0. Además, las compuertas se consideran totalmente abiertas o cerradas. En ningún caso estarán en una posición intermedia. Las variables se definen como: 𝑣𝑖𝑛(𝑚/𝑠):𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝑄𝑖𝑛(𝑚3/𝑠):𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝐴𝑖𝑛(𝑚2):𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜,𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝑉𝑖𝑛(𝑚3):𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜. Finalmente, la ecuación con la que se representará el cálculo del incremento de altura en la cuenca superior debida a la entrada de agua desde el mar a ésta será la siguiente: 𝐻𝑖𝑛𝑖=∆𝑡·𝐴𝑖𝑛 ·√2·𝑔·(𝐻𝑠𝑒𝑎𝑖−𝐻𝐻𝑖𝑔ℎ𝑖) 𝐴𝐻𝑖𝑔ℎ Del mismo modo que en el caso de la cuenca superior, como se ve en la Figura 4-2, para el vaciado de la cuenca inferior, el nivel del mar debe ser menor que el nivel de esta cuenca. Figura 4-2. Esquema del vaciado de la cuenca inferior de la central mareomotriz. 1 2 Modelo de la central mareomotriz 20 Se procede de la misma forma para calcular la cantidad de agua que pasa de un lado a otro del dique y la evolución de la altura de la cuenca inferior. 𝑃1=𝑃𝑎+𝜌·𝑔·𝐻𝐿𝑜𝑤 𝑃01−𝑃02 =𝑘·1 2·𝜌·𝑣𝑜𝑢𝑡 2 → 𝑃1−𝑃2−1 2·𝜌·𝑣𝑜𝑢𝑡 2=𝑘·1 2·𝜌·𝑣𝑜𝑢𝑡 2 𝑃2=𝑃𝑎+𝜌·𝑔·𝐻𝑠𝑒𝑎 Se despeja de estas ecuaciones para obtener la ecuación que resuelve la velocidad de salida del agua por las compuertas desde la cuenca inferior al mar: 𝑣𝑜𝑢𝑡 =[𝑔·(𝐻𝐿𝑜𝑤−𝐻𝑠𝑒𝑎) (𝑘+1 2)]1 2 → 𝑄𝑜𝑢𝑡 =𝑣𝑜𝑢𝑡 ·𝐴𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝑢𝑡 =𝑄𝑜𝑢𝑡 ·∆𝑡 → 𝐻𝑜𝑢𝑡 =𝑉𝑜𝑢𝑡/𝐴𝐿𝑜𝑤 Para el drenaje, las pérdidas en el paso por las compuertas también se consideran nulas, por lo que k = 0. Las variables se definen de la siguiente forma: 𝑣𝑜𝑢𝑡(𝑚/𝑠):𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝑄𝑜𝑢𝑡(𝑚3/𝑠):𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝐴𝑜𝑢𝑡(𝑚2):𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑜,𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠. 𝑉𝑜𝑢𝑡(𝑚3):𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎𝑠 𝑒𝑛 𝑢𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜. Al igual que en el caso del llenado de la cuenca superior, la ecuación con la que se representará el cálculo del decremento de altura de la cuenca inferior debida al drenaje de agua desde ésta al mar será la mostrada a continuación: 𝐻𝑜𝑢𝑡𝑖=∆𝑡·𝐴𝑜𝑢𝑡 ·√2·𝑔·(𝐻𝐿𝑜𝑤𝑖−𝐻𝑆𝑒𝑎𝑖) 𝐴𝐿𝑜𝑤 Conocidas las áreas de paso por las compuertas, las dimensiones de las cuencas, el nivel de la marea a cada instante y las restricciones y condiciones que tiene el modelo de funcionamiento de la central, podremos conocer en todo momento los niveles de las cuencas. Con esto y el modelo de la turbina, será posible conocer la producción de la turbina a lo largo del periodo en estudio. 21 4.2 Modelo de la turbina Una vez que el funcionamiento y modelo numérico de la central mareomotriz están determinados, es necesario establecer un modelo del rendimiento de la turbina que va a ser instalada, además de las dimensiones de las cuencas y las compuertas, como ya se ha mencionado antes. La turbina elegida para este estudio y, por lo tanto, el modelo de operación de ésta, es la misma que en [ 3 ] puesto que, al ser éste un proyecto comparativo con los resultados obtenidos en él, se debe hacer usando los mismos elementos en ambos casos. Por lo tanto, se tienen las siguientes características de la turbina elegida: - Capacidad de la turbina: Pnom 10 MW - Polos del generador: Gp 80 - - Diámetro de la turbina: D 6,0 m - Frecuencia de la red eléctrica: fg 50 Hz - Velocidad de la turbina: - 75 rpm El generador eléctrico que se ha tomado para realizar los cálculos tiene un rendimiento de 0,95. Figura 4-3. Modelo de la turbina [ 3 ]. Modelo de la central mareomotriz 22 En la Figura 4-3, se muestra gráficamente el modelo de operación de dos turbinas en función de la diferencia de altura entre la entrada y salida de ella (representado en el eje X), es decir, la diferencia de altura entre las dos cuencas. En el eje vertical se representan tanto la potencia producida como el caudal de agua que pasa por la turbina para cada altura. Para este proyecto sólo se tendrá en cuenta el correspondiente a la turbina elegida, es decir, la turbina de 10 MW de potencia nominal. Como puede observarse en el gráfico anterior del modelo de la turbina, la potencia producida aumenta conforme la diferencia de altura entre la entrada y la salida de la turbina lo hace también, hasta llegar a la potencia nominal. Se alcanza la potencia nominal en una diferencia de altura de 4,16 m para la turbina de 10 MW. Para valores superiores de la diferencia de altura, la potencia permanece constante en su valor nominar. Por otro lado, prestando atención en la curva del flujo de agua que atraviesa la turbina, se puede ver que el caudal aumenta hasta llegar al punto máximo de producción, al valor de la potencia nominal. Para diferencias de altura superiores a 4,16 m, con la potencia constante es su valor nominal, el caudal de agua que atraviesa la turbina comienza a experimentar una reducción. Es decir, conforme mayor sea la diferencia de altura, el paso de agua por la turbina será menor. Esto provoca un fenómeno positivo, dado que permite que la velocidad de vaciado sea menor y por lo tanto la diferencia de altura se reduzca más lentamente, permaneciendo en estado de producción de potencia nominal un mayor periodo de tiempo. Esta turbina tiene sus límites de operación. Por un lado, la turbina comienza a trabajar cuando la diferencia de altura es mayor o igual a 2 metros (HSt = 2m) y, por otro lado, la turbina dejara de trabajar una vez se alcance una altura mínima de 1 metro (Hmin = 1m). 4.3 Dimensiones estructurales Ya sólo queda definir las dimensiones de las compuertas que separan cada una de las cuencas del mar y las dimensiones de las mismas cuencas. Estos datos deben ser los adecuados para que los resultados obtenidos en ambos proyectos puedan ser comparados de manera lógica. Es por eso por lo que, teniendo en cuenta las dimensiones escogidas en [ 1 ] y [ 3 ] (Asluice = 200m² y Abasin = 1.5 km²), se ha decidido adoptar las siguientes para el análisis de este proyecto: 𝐴𝑖𝑛 =𝐴𝑜𝑢𝑡 =200 𝑚2 𝐴𝐻𝑖𝑔ℎ =𝐴𝐿𝑜𝑤 =1,5 𝑘𝑚2 Se debe conocer que, cuanto mayor sean las dimensiones de las compuertas situadas en el dique de separación de las cuencas con el mar, menor será el tiempo transcurrido en el proceso de recuperación de altura de agua en la cuenca superior y en el de drenaje de la cuenca inferior. 23 Como punto de partida del estudio de este tipo de central, se va a adoptar las dimensiones descritas para que sea lo más comparativo y próximo al proyecto del cual se parte. Así mismo, se puede tomar como propuesta para futuros trabajos de estudio de una central mareomotriz de este tipo, la optimización de la turbina a utilizar según su potencia nominal o de las dimensiones de las cuencas y/o de las compuertas. Modelo de programación 30 Figura 5-4. Comportamiento de la central mareomotriz el día 2 de enero de 2018 Se aprecia cómo varían las alturas de las cuencas con la apertura y cierre de las compuertas de cada una de ellas dejando entrar y salir el agua desde y hacia el mar. Así mismo, se observa cómo la potencia generada por la turbina varía con la diferencia de altura, alcanzando la potencia nominal de 10 MW en 4,16 m. A continuación, se van a presentar los resultados gráficos del comportamiento de la central mareomotriz en los dos días extremos que se pueden dar en cuanto a producción se refiere: - El día de máxima producción, que coincide con épocas de mareas vivas, es decir, épocas de mareas de gran amplitud. - El día de producción mínima, que coincide con épocas de mareas muertas, es decir, la amplitud de las mareas es menor. Como se indicó en el capítulo 1.2.2 Energía mareomotriz, estas mareas vivas y mareas muertas se deben a la posición de la luna, a la fase lunar, dado que la fuerza de gravitación de la Luna y el Sol pueden sumarse (mareas vivas), o equilibrarse (mareas muertas). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 24 28 32 36 40 44 48 Altura (m) Hora anual 2 de enero de 2018 Hsea (m) Hhigh (m) Hlow (m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 24 28 32 36 40 44 48 Potecia (MW) Altura (m) Hora anual H (m) Pe (MW) 31 De este modo, en la Figura 5-5 se tiene representado el día de máxima producción de energía del año en estudio, 12 de septiembre. De igual manera que en la figura anterior, el gráfico se ha dividido en dos partes para que mejor entendimiento. En la parte superior se representan las alturas de la marea y las cuencas superior e inferior, y en la parte inferior la diferencia de altura entre las cuencas y la potencia generada. Se puede observar cómo en días de gran amplitud de marea, no solo la turbina no deja de producir energía, sino que en todo momento la potencia producida supera los 6 MW, con diferencias de altura mayores a 3 m. Figura 5-5. Comportamiento de la central mareomotriz el día 12 de septiembre de 2018 (día de máxima generación de energía del año 2018) Por el contrario, en la Figura 5-6 se representa uno de los días del año de producción nula. La marea muerta está dada por una amplitud tan pequeña (se puede ver que ni siquiera alcanza una amplitud de 2 metros) que no permite que la diferencia de altura entre la entrada y salida de la turbina conseguida sea la mínima para que ésta arrancar de nuevo y pueda generar energía (2 metros). 0 2 4 6 8 10 12 6096 6100 6104 6108 6112 6116 6120 Altura (m) Hora anual 12 de septiembre de 2018 Hsea (m) Hhigh (m) Hlow (m) 5 6 7 8 9 10 11 2 3 4 5 6 7 8 6096 6100 6104 6108 6112 6116 6120 Potecia (MW) Altura (m) Hora anual H (m) Pe (MW) Modelo de programación 32 Se puede observar que al comienzo del día la diferencia de altura es de 1 metro, que es la altura a la cual la turbina se para y deja de generar. Con la subida de la marea, la cuenca superior recupera altura, pero no es suficiente. Las dos bajamares que se producen durante el día alcanzan cotas por encima del nivel de la cuenca inferior, por lo que ésta no puede drenar para conseguir una mayor diferencia entre las cuencas. Figura 5-6. Comportamiento de la central mareomotriz el día 11 de marzo de 2018 (uno de los días de generación de energía nula del año 2018) Tras el día 11 de marzo se tiene otro con producción nula, a lo que le siguen unos días de baja producción con varios marcha-paro de la turbina. En la figura siguiente se representan los estos días para entender con un ejemplo gráfico el funcionamiento de la turbina. El día 13 de marzo la diferencia de altura continúa en 1.98 m, lo que no es suficiente para que la turbina arranque. En un momento dado, alcanza la altura de 2 metros, poniendo en marcha la turbina y produciendo a una potencia de aproximadamente 3 MW. Continúa produciendo mientras disminuye la potencia al ritmo que la diferencia de altura disminuye también hasta llegar a la altura mínima de funcionamiento de 1 m de altura, momento en el cual la turbina deja de producir y se para. A continuación, la bajamar alcanza cotas inferiores al nivel de la cuenca inferior, lo que permite drenar y recuperar una diferencia de altura de 2 m, suficiente para poner en marcha de nuevo la turbina. Este continuo estado de marcha-paro sigue ocurriendo hasta que, poco a poco, la amplitud de la marea aumenta permitiendo que la diferencia de altura se mantenga por más tiempo en valores aptos para el funcionamiento de la turbina y, por lo tanto, la producción de energía. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 1 2 3 4 5 6 7 1656 1660 1664 1668 1672 1676 1680 Potencia (MW) Altura (m) Hora anual 11 de marzo de 2018 Hsea (m) Hhigh (m) Hlow (m) H (m) Pe (MW) 33 Figura 5-7. Comportamiento de la central mareomotriz los días 13 y 14 de marzo de 2018 (ejemplo del periodo marcha-paro sufrido por la turbina) 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 1704 1708 1712 1716 1720 1724 1728 1732 1736 1740 1744 1748 1752 Altura (m) Hora anual 13-14 de marzo de 2018 Hsea (m) Hhigh (m) Hlow (m) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 1704 1708 1712 1716 1720 1724 1728 1732 1736 1740 1744 1748 1752 Potencia (MW) Altura (m) Hora anual H (m) Pe (MW) Modelo de programación 34 35 6 COMPARACIÓN DE RESULTADOS TECNOLOGÍAS CENTRAL MAREOMOTRIZ Una vez analizados los resultados obtenidos para los días más característicos del año en estudio, se procede a realizar un estudio comparativo a partir de los resultados más generales del ciclo de simple efecto (tecnología desarrollada en el artículo [ 3 ]) y del ciclo de múltiple efecto o doble cuenca (tecnología desarrollada en este proyecto). A continuación, en la Tabla 6-1, se puede observar las ventajas y desventajas de una tecnología frente a la otra y, por lo tanto, en que aspectos una u otra es más favorable o beneficiosa. Simple efecto Doble cuenca Horas de generación (h) 3945,20 7325,80 % tiempo generación 45,04 83,64 Días de producción nula (2018) 12 9 Energía producida el día de máxima producción (MWh) 129,78 221,10 Energía media producida diariamente (MWh) 69,97 103,01 Horas potencia nominal (h) 1071,70 709,20 Potencia media anual (MW) 2,92 4,29 Tabla 6-1. Comparación resultados generales de ambas tecnologías En primer lugar, se puede observar la gran diferencia que existe en las horas de producción de energía al año. Tanto es así que es casi el doble. Como ya se dijo anteriormente, la doble cuenca permite que la generación de energía se realice durante más tiempo, por el hecho de que no se produce únicamente cuando el depósito se vacía aprovechando la bajada de la marea si no que se realiza de manera continuada (siempre y cuando la diferencia de altura lo permita). A lo largo del año, las mareas muertas hacen que la amplitud de marea sea muy pequeña, no alcanzando a veces ni los 2 metros mínimos para poner en marcha la turbina. Comparando las dos tecnologías, se observa que este hecho afecta más a la central de simple efecto dado que a lo largo de 2018 existen 12 días en los cuales no se produce energía frente a los 9 días de producción nula en la central de doble cuenca. Son únicamente 3 días de diferencia, pero, a partir de los cuales, se intuye el beneficio de tener este tipo de almacenamiento de energía (potencial debida a la diferencia de altura) que se da gracias a las dos cuencas, para producir energía en momentos en los que la marea no da posibilidad de generación por sí sola. Por otro lado, se destaca el día de máxima producción de una y otra tecnología. Entre ellas existe una diferencia de energía producida a lo largo del día bastante amplia. Se recuerda que el sistema de simple efecto tiene una parada de producción obligada por producir únicamente en una dirección, en el momento de drenaje de la cuenca hacia el mar, mientras que en el sistema de doble cuenca la producción es continua, como podía verse en la Figura 5-5, con potencias por encima de los 3 MW en todo momento y trabajando a potencia nominal la mayor parte del tiempo a lo largo del día. Comparación de resultados tecnologías central mareomotriz 36 Por lo tanto, por la misma razón, puede verse también que la energía media producida diariamente es mayor en el sistema de doble cuenca. Al tener un traspaso de agua de forma continua de la cuenca superior a la inferior, la diferencia de altura que se alcanza entre las cuencas es menor que la amplitud de la marea. Esto se traduce a que el tiempo de producción a potencia nominal es menor en este sistema que en el ciclo de simple efecto que alcanza diferencias de alturas mayores. Este último detalle no impide que la potencia media a lo largo del año, sea mayor en doble cuenca y menor en simple efecto. Como se puede ver en la Figura 6-1, donde se representa el número de horas a lo largo del año en estudio en las cuales la turbina trabaja entre los rangos de potencia indicados en el eje horizontal, la doble cuenca genera un mayor número de horas en todos los rangos de potencia diferenciados respecto al simple efecto. El número de horas en las cuales la central de simple efecto no produce es muy elevado, correspondiendo así, a más de la mitad de las horas que tiene un año (~55%). Además, se representa la potencia media anual en cada una de las tecnologías, siendo mayor en la tecnología de doble cuenca. Figura 6-1. Comparación perfil de potencia producida de ambas tecnologías Para continuar con este estudio comparativo, se analiza a continuación la producción de energía a lo largo del día. En la Figura 6-2 se representa la cantidad de días del año en los cuales la generación de energía corresponde con los rangos indicados en el eje horizontal. Se puede observar que la tecnología simple efecto se queda en valores menores, mientras que la doble cuenca permite alcanzar durante 102 días al año valores de producción de energía superiores, a los cuales no se llega con simple efecto. 4813.7 348.8 753.8 685.1 574.1 511.7 1071.7 1433.1 1052.5 2155.6 1403.4 1154.4 850.7 709.2 2.92 4.29 0 1 2 3 4 5 6 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 00-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10 Potencia media anual (MW) Horas (h) Potencia (MW) Perfil de potencia producida Simple efecto Doble cuenca Media anual Simple efecto Media anual Doble cuenca 37 Figura 6-2. Comparación perfil de energía generada diariamente de ambas tecnologías 12 120 108 125 0 0 9 88 79 87 89 13 69.97 103.01 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0-50 50-100 100-150 150-200 200-250 Energía media diaria (MWh) Días Energía (MWh) Perfil de energía generada diariamente Simple efecto Doble cuenca Media diaria Simple efecto Media diaria Doble cuenca Comparación de resultados tecnologías central mareomotriz 38 39 7 COMPARACIÓN DE RESULTADOS SISTEMAS HÍBRIDOS Una vez obtenidos los resultados de las dos tecnologías propuestas para el funcionamiento la central mareomotriz, y tras la comparación de los mismos, se procede a la realización de los cálculos y posterior comparación de los nuevos resultados obtenidos al realizar la hibridación de cada una de estas tecnologías con la energía solar fotovoltaica (PV). Para la energía solar PV se va a considerar en ambas hibridaciones, que las dimensiones y parámetros característicos del campo solar en estudio son los mismos que se utilizaron para los cálculos y el análisis del artículo [ 3 ], que son tales cuya potencia pico corresponde a 15 MWp. A partir del software SAM (System Advisor Model) se obtiene la potencia generada por el campo solar durante todo un año tipo. Con la potencia generada en el campo solar y la generada en la central mareomotriz, se calculan las potencias obtenidas en la hibridación de éstas. Solar PV+ Simple efecto Solar PV + Doble cuenca Horas de generación (h) 6354,70 8051,70 % tiempo generación 72,55 91,93 Días de producción nula (2018) 0 0 Energía producida el día de máxima producción (MWh) 209,12 297,34 Energía producida el día de mínima producción (MWh) 57,25 61,68 Energía media producida diariamente (MWh) 142,51 175,54 Potencia máxima producida (MW) 20,45 21,83 Potencia media anual (MW) 5,94 7,32 Tabla 7-1. Comparación resultados generales de ambas hibridaciones En la Tabla 7-1 se pueden ver los datos más característicos y generales de ambas hibridaciones, de los cuales podemos destacar que, el hecho de añadir la energía solar, no hay ningún día del año en el que no exista generación. En general, los resultados obtenidos mejoran, como es lógico, a los correspondientes de las tecnologías marinas sin hibridar con la energía fotovoltaica, pero, como se puede observar, siguen siendo mejores cuando se combina con la central de doble cuenca que con la central de simple efecto. Producción de agua 46 Para realizar el estudio, en primer lugar, ha de saberse en qué instantes la planta desaladora produce agua y en qué instantes no lo hace. Se recuerda, que los datos de generación de energía están dados para intervalos de 6 minutos, es decir, para intervalos de 0,1 h. Una vez contabilizados los intervalos de tiempo en los que la planta desaladora está en marcha, se puede calcular la energía consumida por ésta a lo largo del año a partir de la siguiente ecuación: 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 =𝑃𝑑𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛·𝑁·𝑡 Siendo: - 𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎: la energía consumida por la planta desaladora, en MWh. - 𝑃𝑑𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛: la potencia nominal de la planta desaladora, en MW. - 𝑁: número de periodos en los que la planta desaladora produce agua, es decir, número de periodos en los que la potencia generada es mayor o igual a la potencia nominal de la planta desaladora. - 𝑡: tiempo transcurrido en cada periodo, en horas (h). - 𝑛·𝑡=𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠𝑂𝑁: Horas de funcionamiento de la planta desaladora. Como se ha indicado anteriormente, la energía excedente será vendida a la red, por lo que resulta interesante conocer el valor de esta energía vendida a lo largo del año. Se realiza el sumatorio de la energía generada a potencias inferiores a la potencia nominal de la planta desaladora, puesto que ésta no estará en marcha en esos instantes, y de la energía sobrante cuando se genera a potencias superiores a la potencia nominal de la planta desaladora, como se indica a continuación: 𝐸𝑒𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒 =∑𝑃𝑔𝑒𝑛 (𝑃𝑔𝑒𝑛<𝑃𝑑𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛)·𝑡+∑[𝑃𝑔𝑒𝑛 (𝑃𝑔𝑒𝑛>𝑃𝑑𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛)−𝑃𝑑𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛]·𝑡 Siendo: - 𝐸𝑒𝑥𝑐𝑒𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒: la energía excedente, no consumida por la planta desaladora, en MWh. - 𝑃𝑔𝑒𝑛: la potencia generada por el bloque de generación, los sistemas híbridos, en MW. Por último, se calcula la cantidad de agua dulce producida por la planta desaladora. Se conoce que la energía específica de ésta (SEC) es un parámetro fijo en los 6 casos en estudio, por lo que se puede calcular el flujo de agua producida, 𝑄𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 (𝑚3/ℎ), para cada una de las potencias de la planta de la siguiente manera: 𝑄𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 =𝑃𝑑𝑒𝑠𝑎𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛·1000 𝑆𝐸𝐶 47 Conociendo el flujo y el número de horas que la planta desaladora está produciendo, se puede calcular el volumen total de agua dulce producido a lo largo del año, 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 (𝑚3). 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 =𝑄𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜·𝑁·𝑡=𝑄𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜·𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠𝑂𝑁 Este volumen total de producto puede calcularse también sabiendo la energía consumida por la planta desaladora a lo largo del año, como puede verse en la ecuación que se muestra a continuación, sin necesidad de calcular el flujo de producción. Sin embargo, se considera que este parámetro puede resultar interesante dado que aporta información sencillamente comparable entre los casos. 𝑉𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 =𝐸𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎·1000 𝑆𝐸𝐶 A continuación, en la Tabla 6-1, se muestra un resumen de los resultados anuales obtenidos para los seis escenarios en estudio. Tipo Hibridación Solar PV - Simple efecto Solar PV - Doble cuenca E. total generada (MWh) 52016,86 64073,78 P. nominal Planta (MW) 2,5 5 7,5 2,5 5 7,5 Horas ON (h) 5688,00 4796,20 3873,40 6999,50 5324,30 4050,00 E. Consumida (MWh) 14220,00 23981,00 29050,50 17498,75 26621,50 30375,00 E. Consumida (%) 27,34 46,10 55,85 27,31 41,55 47,41 E. Excedente (MWh) 37796,86 28035,86 22966,36 46575,03 37452,28 33698,78 E. Excedente (%) 72,66 53,90 44,15 72,69 58,45 52,59 Flujo producto (m³/h) 714,29 1428,57 2142,86 714,29 1428,57 2142,86 Volumen anual producto (m³) 4062857,14 6851714,29 8300142,86 4999642,86 7606142,86 8678571,43 Tabla 8-1. Tabla comparativa de resultados de producción de agua para los casos en estudio. Como puede observarse dentro de cada tipo de hibridación, cuanto mayor es la potencia nominal de la planta desaladora, el número de horas en las que ésta está en marcha y produciendo es menor. Al mismo tiempo, la energía consumida es mayor, al igual que la producción de agua. Producción de agua 48 Al consumir más energía, el excedente es menor, por lo que la energía vendida a la red, y por lo tanto los beneficios que esto puede generar, serán menores. Si se comparan las dos hibridaciones, se puede ver cómo el consumo de energía, aunque mayor conforme se aumenta la potencia nominal de la planta, sufre un aumento menos brusco refiriéndose al dato de la producción total de energía, es decir, fijándose en el porcentaje de energía consumida respecto al total generado. Para poder decantarse por una de las opciones aquí expuestas, es necesario la realización de un estudio económico que detalle el coste de producción de agua, los beneficios obtenidos por la venta de la energía excedente y los costes de la construcción de las estructuras (cuencas, diques, compuertas) de ambas centrales mareomotrices. 49 9 CONCLUSIONES En este trabajo se ha abordado el estudio comparativo de centrales mareomotrices se simple efecto y doble cuenca y su posible hibridación con energía solar fotovoltaica (PV) para satisfacer la demanda de energía eléctrica de una planta de desalación de agua de mar. El interés de las centrales de doble cuenca se basa en que su método de funcionamiento permite que la producción sea ininterrumpida o casi ininterrumpida, siempre y cuando las condiciones de las mareas del lugar sean idóneas (grandes amplitudes de mareas). De la realización de este estudio se pueden extraer las siguientes conclusiones: 1. Se ha desarrollado un modelo de programación que permite obtener resultados reales de una central mareomotriz de doble cuenca en función de los parámetros de diseño definidos. 2. Estos resultados pueden ser comparados con los ya obtenidos en estudios anteriores de una central mareomotriz de simple efecto puesto que el nuevo modelo se ha integrado en el software existente. Estos estudios se han realizado para el mismo emplazamiento, la ciudad de Broome en Australia, y para una única turbina en cada una de las centrales mareomotrices aquí especificadas, cuya potencia nominal es de 10 MW. 3. En el estudio comparativo llevado a cabo, se detalla cómo la central mareomotriz de doble cuenca tiene la ventaja de producir energía un mayor número de horas al año sobre la central mareomotriz de simple efecto, lo que se traduce en menor tiempo de producción nula, de parada de la turbina. 4. Si a lo anterior se le añade la generación procedente del campo solar PV, considerando un sistema de hibridación de energías marina y solar, la cantidad de horas de producción nula se reduce aún más. Los beneficios de la hibridación con marina/solar PV se han descrito con detalle utilizando resultados disponibles de la producción solar PV en la localización elegida. Se dimensiona el campo solar PV en función de la potencia de la central mareomotriz, en base a trabajos anteriores. Se considera que este debe tener una potencia pico de 1,5 veces la potencia de la central mareomotriz que, en este estudio, se ha considerado la de una única turbina, obteniendo entonces una potencia pico de 15 MWp. 5. Se ha modelado el funcionamiento de una planta de desalación de agua abastecida con la energía producida por los dos sistemas de hibridación de energía. Se considera que el aporte de energía por parte de la central mareomotriz es la base del consumo de la planta de desalación dado que la generación es predecible con gran anticipación, y de mayor certeza, que la generación producida por el campo solar PV. Se analizan 3 posibles potencias de esta planta, que corresponden a 1/4, 1/2 y 3/4 de la potencia de la central mareomotriz, que para el caso en estudio ha sido la potencia de una única turbina marina, es decir, 2.5, 5 y 7.5 MW de potencia, obteniendo distintos resultados de producción de agua, consumo de energía y energía excedente. Con las condiciones de diseño citadas, la producción de agua desalada obtenida con la central híbrida de doble cuenca se incrementa entre 23,0% y 4,6 % respecto a la central de simple efecto en la localización estudiada al crecer la potencia nominal de la desaladora de 1/4 a 3/4 de la potencia nominal de la turbina hidráulica (tabla 8-1). Al mismo tiempo, los excedentes de energía se incrementan entre un 23.2% y un 46.7%, respectivamente. 6. Al margen de consideraciones económicas, se recomiendan las centrales de doble cuenca para aplicaciones a desalación de centrales marinas hibridadas con energía solar PV. Además, se propone que los excedentes de energía sean vendidos a la red y no almacenados en baterías. Conclusiones 50 Finalmente, se propone como trabajo futuro el análisis económico de las distintas opciones de producción de agua para cada una de las potencias de la planta de desalación alimentada por uno y otro sistema de hibridación planteados en este trabajo. De este modo, será posible decantarse por una de éstas de una manera más razonada y lógica. 51 REFERENCIAS [ 1 ] M. Jiménez del Moral, Análisis de la combinación de energía marina y fotovoltaica para desalación de agua de mar. Trabajo de Fin de Grado. Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2018). [ 2 ] M. M. Guillén de la Oliva, Plantas de desalación de agua eólicas de gran capacidad con respaldo de energía marina. Trabajo de Fin de Grado. Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Universidad de Sevilla (2018). [ 3 ] A. M. Delgado-Torres, L. García-Rodríguez, M. Jiménez del Moral, Preliminary assessment of innovative seawater reverse osmosis (SWRO) desalination powered by a hybrid solar photovoltaic (PV) - Tidal range energy system, Elsevier (2019). [ 4 ] Vega de Kuyper, J.C. y Ramírez Morales, S. (2014). Fuentes de energía renovables y no renovables: aplicaciones. Barcelona: Marcombo. [ 5 ] Carte González, J.A., Calero Pérez, R., Colmenar Sants, A. y Castro Gil, M.A. (2009). Centrales de energías renovables. Generación eléctrica con energías renovables. Madrid: Pearson-Prentice Hall, D.L. [ 6 ] F. Pose de Miguélez (2009). La energía que viene del mar. La Coruña: Netbiblio. [ 7 ] G. Boyle (2004). Renewable energy: [power for a sustainable future]. Oxford. [ 8 ] López Herrera, J.M. Apuntes de la asignatura “Energía hidráulica y marina”. Grado en Ingeniería de la Energía. ETSI, Universidad de Sevilla, curso 2017-18. [ 9 ] Meteorología en red: https://www.meteorologiaenred.com/corrientes-marinas.html (consultado el día 2 de octubre de 2020). Referencias 52 53 ANEXO Anexo A: Comportamiento central mareomotriz de simple efecto Figura 0-1. Comportamiento de la central mareomotriz de simple efecto el día de máxima producción de energía. Figura 0-2. Comportamiento de la central mareomotriz de simple efecto el día 29 de marzo de 2018, correspondiendo a un día de producción media-baja. 0 2 4 6 8 10 12 6096 6100 6104 6108 6112 6116 6120 Altura (m) / Potencia (MW) Hora anual 12 de septiembre 2018 Hsea (m) Hbasin (m) Pe (MW) 0 2 4 6 8 10 12 2088 2092 2096 2100 2104 2108 2112 Altura (m) / Potencia (MW) Hora anual 29 de marzo de 2018 Hsea (m) Hbasin (m) Pe (MW) Anexo 54 Figura 0-3. Comportamiento de la central mareomotriz de simple efecto el día 24 de mayo de 2018, correspondiendo a uno de los días de menor producción, sin llegar a ser nula. 0 2 4 6 8 10 12 3432 3436 3440 3444 3448 3452 3456 Altura (m) / Potencia (MW) Hora anual 24 de mayo de 2018 Hsea (m) Hbasin (m) Pe (MW) 55 Anexo B: Comparación de resultados de los sistemas de hibridación de energías Figura 0-4. Perfil de potencia para los dos sistemas híbridos en estudio: Solar PV – Simple efecto (arriba) y Solar PV – Doble cuenca (abajo) y comparación de potencias totales (medio) para el día 1 de julio de 2018. 0 2 4 6 8 10 12 4344 4348 4352 4356 4360 4364 4368 Potencia (MW) Hora anual Pe Solar PV Pe Simple efecto 0 4 8 12 16 20 4344 4348 4352 4356 4360 4364 4368 Potencia (MW) Hora anual Pe Hibridación PV-Simple efecto Pe Hibridación PV-Doble cuenca 0 2 4 6 8 10 12 4344 4348 4352 4356 4360 4364 4368 Potencia (MW) Hora anual Pe Solar PV Pe Doble cuenca