Hibridación de energía de viento y olas en Australia

1 Cu so: 2024-2025 Di ec o /Di ec o a: Alain Ulazia Man e ola Es udian e: Eneko Ganda ias Eizagui e HIBRIDACIÓN DE ENERGÍA DE VIENTO Y OLAS EN AUSTRALIA MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERIA ENERGETICA SOSTENIBLE TRABAJO FIN DE MÁSTER Fecha: Bilbao, 12 de sep iemb e de 2025 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 2 RESUMEN El obje i o de es e p oyec o es analiza la iabilidad de la ene gía eólica o sho e y undimo iz en Aus alia, y como se compo a ían en caso de una hib idación de ambas. Pa a ello, po una pa e, se analiza á el ecu so ene gé ico de ambas ecnologías en las cos as de Aus alia, pa a e que en ajas y des en ajas pod ía ene hace una ins alación es e ipo de ecnologías en cos as aus alianas, como el ecu so ene gé ico disponible, la p o undidad del ma , e c. Es e p oceso se lle a á a cabo de mane a di e en e en cada una de las ecnologías, dado que pa a pode es ima el ecu so ene gé ico eólico se u iliza á la he amien a Global Wind A las, mien as que pa a la ene gía de olas se u iliza án da os de los océanos ecogidos po el sa éli e TOPEX/Poseidón en e 1993 has a 2005. Pa a pode manipula es os da os, se u iliza á el p og ama R, donde se elabo a án mapas de Aus alia donde se ep esen a á el ecu so ene gé ico undimo iz de las cos as aus alianas. Una ez conocido el ecu so ene gé ico an o de la ene gía eólica o sho e como el de las olas, se p ocede á a analiza el po encial de dos ubicaciones conc e as de la cos a, donde se es udia á el po encial y el desempeño que end ía un ae ogene ado lo an e y una boya, des acando los pun os ue es de los mismos. Además, se compa a án ambas ubicaciones pa a de e mina cual se ía el si io más in e esan e pa a lle a a cabo ins alaciones de es e ipo. Es e p oceso se lle a á a cabo a a és del so wa e Ma lab. Finalmen e, se ha á una simulación de como se compo a ían ambas ecnologías combinadas en ambas ubicaciones, pa a pode e si ealmen e iene algún bene icio y en caso de ene lo, se compa a án los esul ados de ambos si ios pa a e cual es el más idóneo pa a que se lle e a cabo es a hib idación. LABURPENA P oiek u honen helbu ua Aus aliako o sho e ene gia eolikoa e a ola u-ene gia en bide aga i asuna az e zea da, e a biak hib ida uz ge o nola joka uko luke en ikus ea. Ho e a ako, alde ba e ik, Aus aliako kos aldean bi eknologia hauen baliabide ene ge ikoa az e uko da, eknologia hauek kos alde ho ie an eza zeak izan di zakeen aban ailak e a desaban ailak ikus eko, hala nola esku aga i dagoen baliabide ene ge ikoa, i sasoa en sakone a, e ab. P ozesu hau modu desbe dinean egingo da eknologia bakoi zean, izan e e, baliabide eolikoa es ima zeko Global Wind A las esna e abiliko da, e a ola uen ene gia az e zeko, be iz, TOPEX/Poseidon sa eli eak 1993 e a 2005 bi a ean bildu ako ozeanoe ako da uak e abiliko di a. Da u ho iek manipula zeko R p og ama e abiliko da, e a be an Aus aliako kos aldee ako ola u-ene gia en baliabidea i udika zen du en mapak egingo di a. Behin o sho e haize-ene gia en e a ola uen baliabide ene ge ikoa ezagu u a, kos aldeko bi kokapen zeha zen po en ziala az e uko da, e a be an ae oso gailu lo a zaile ba en e a buia ba en po en ziala e a e endimendua ike uko di a, eu en inda guneak azpima a uz. Gaine a, bi kokapenak alde a uko di a, halako ins alazioak egi eko in e esga iena zein li za ekeen zehaz eko. P ozesu hau Ma lab so wa ea en bidez egingo da. Azkenik, bi eknologia ho iek konbina u a bi kokapene an nola joka uko luke en simulazioa egingo da, bene an onu a ik o e du en ikus eko, e a baldin badu e, bi kokapenen emai zak alde a uko di a hib idazio ho i gauza zeko egokiena zein den jaki eko. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 3 ABSTRACT The objec i e o his p ojec is o analyze he easibili y o o sho e wind and wa e ene gy in Aus alia, and how hey would pe o m in he case o a hyb idiza ion o bo h. To his end, on he one hand, he ene gy esou ce o bo h echnologies along he Aus alian coas s will be assessed, in o de o iden i y he ad an ages and disad an ages o ins alling such echnologies he e, conside ing ac o s such as he a ailable ene gy esou ce, sea dep h, e c. This p ocess will be ca ied ou di e en ly o each echnology: o es ima e he wind esou ce, he Global Wind A las ool will be used, while o wa e ene gy, ocean da a collec ed by he TOPEX/Poseidon sa elli e be ween 1993 and 2005 will be used. To p ocess his da a, he R so wa e will be employed o p oduce maps o Aus alia ep esen ing he wa e ene gy esou ce along he coas s. Once he ene gy esou ce o bo h o sho e wind and wa e ene gy has been iden i ied, he po en ial o wo speci ic coas al loca ions will be analyzed. A each si e, he po en ial and pe o mance o a loa ing wind u bine and a buoy will be s udied, highligh ing hei s eng hs. Fu he mo e, bo h loca ions will be compa ed o de e mine which would be he mos sui able o implemen ing such ins alla ions. This p ocess will be conduc ed using Ma lab so wa e. Finally, a simula ion will be ca ied ou o analyze how bo h echnologies combined would pe o m a he wo loca ions, in o de o de e mine whe he hyb idiza ion o e s eal bene i s. I so, he esul s om bo h si es will be compa ed o es ablish which is he mos app op ia e o his ype o hyb id sys em. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 4 INDICE 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 1 1.1 ENERGIA MARINA .......................................................................................................................... 1 1.2 ENERGÍA EOLICA OFFSHORE ....................................................................................................... 1 1.2.1 RECURSO ENERGETICO ............................................................................................................ 1 1.3 ENERGIA DE OLAS .......................................................................................................................... 2 1.3.1 RECURSO ENERGETICO ............................................................................................................ 2 1.3.2 TECNOLOGIA .............................................................................................................................. 2 1.4 GLOBAL WIND ATLAS ................................................................................................................... 4 1.5 TOPEX/POSEIDON ........................................................................................................................... 4 2. AUSTRALIA ........................................................................................................................................... 6 2.1 LA TRANSICIÓN ENERGÉTICA EN AUSTRALIA ......................................................................... 6 2.2 POTENCIAL DE ENERGÍAS RENOVABLES EN AUSTRALIA ...................................................... 6 2.2.1 ENERGÍA MARINA EN AUSTRALIA ........................................................................................... 7 2.2.1.1 ENERGIA EÓLICA MARINA EN AUSTRALIA ...................................................................... 8 2.2.1.2 ENERGÍA DE LAS OLAS EN AUSTRALIA ............................................................................ 9 3. METODOLOGIA .................................................................................................................................. 12 3.1 METODOLOGÍA ............................................................................................................................. 12 3.1.1 ESTIMACIÓN DE ENERGÍA DE OLAS MEDIANTE DATOS DE ALTIMETRÍA ...................... 12 3.1.2 ANÁLISIS DE FUERZAS DE UN CUERPO FLOTANTE DE ABSORCIÓN DE PUNTO .......... 13 3.1.3 ENERGÍA EÓLICA ..................................................................................................................... 15 3.1.4 IMPACTO DE LA HIBRIDACIÓN DE LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ Y LA ENERGÍA EÓLICA 16 3.2 PROGRAMACIÓN .......................................................................................................................... 19 3.2.2 ENERGÍA DE OLAS ................................................................................................................... 19 3.2.3 ENERGÍA EÓLICA OFFSHORE ................................................................................................. 32 4. RESULTADOS ..................................................................................................................................... 36 4.1 ANALISIS DEL RECURSO ENERGETICO DE AUSTRALIA ........................................................ 36 4.1.1 ENERGÍA DE OLAS ................................................................................................................... 36 4.1.2 ENERGÍA EOLICA OFFSHORE ................................................................................................. 40 4.2 GENERACIÓN DE POTENCIA DE LOS DISPOSITIVOS .............................................................. 43 4.2.1 ENERGÍA DE OLAS ................................................................................................................... 43 4.2.2 ENERGÍA EOLICA OFFSHORE ................................................................................................. 44 4.3 IMPORTANCIA DE LA HIBRIDACIÓN DE AMBAS TECNOLOGIAS ......................................... 46 5. CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................... 49 6. REFERENCIAS .................................................................................................................................... 50 1 1. INTRODUCCIÓN 1.1 ENERGIA MARINA La ene gía ma ina ag upa a ias ecnologías capaces de gene a elec icidad en el medio oceánico. Es as ene gías incluyen la ene gía de las olas (la cual ap o echa el mo imien o de las olas pa a gene a ene gía), la ma eomo iz (ap o echa el mo imien o de las ma eas o la ene gía ciné ica de las co ien es ma inas), la é mica oceánica (u iliza el sal o é mico en e aguas supe iciales y aguas poco p o undas en el océano), la osmó ica (ap o echando la di e encia de salinidad del agua pa a gene a ene gía, mayo men e en es ua ios), y ambién la ene gía eólica o sho e o ma ina (ap o echando la ene gía ciné ica del ien o pa a gene a ene gía en medio ma ino). Todas ellas ap o echan ecu sos di e en es del océano, y po lo an o, su di e sidad ep esen a una en aja cla e en e a o as ene gías eno ables, ya que pe mi e cub i dis in as condiciones geog á icas y climá icas [1]. 1.2 ENERGÍA EOLICA OFFSHORE La ene gía eólica o sho e consis e en la gene ación de elec icidad median e ae ogene ado es ins alados en el océano, gene almen e en zonas cos e as o ma aden o, donde los ien os son más ue es y cons an es que en ie a i me. A di e encia de la eólica onsho e, es as u binas pueden es a sob e pla a o mas ijas (en aguas poco p o undas) o lo an es (en aguas p o undas), adap ándose a dis in as p o undidades ma inas. La indus ia comenzó en 1991 en Dinama ca, y Eu opa ha lide ado su desa ollo desde en onces. Ac ualmen e se es ima un po encial écnico global de más de 17 TW, especialmen e en países con cos as a o ables como Reino Unido, China o A gen ina. La inno ación ac ual se cen a en u binas lo an es, que ex ienden el ecu so a aguas p o undas p e iamen e inaccesibles [2]. 1.2.1 RECURSO ENERGETICO La ene gía eólica o sho e es una al e na i a ideal pa a la cap ación de ene gía, dado que el ma p esen a meno ugosidad supe icial y ausencia de obs áculos que la eólica e es e, lo que gene a ien os p omedio supe io es a 7 m/s, con menos u bulencia. Es o mejo a la e iciencia de las u binas o sho e. Además, po lo gene al el ien o es más cons an e, y se puede ap o echa más el ecu so disponible, po lo que hoy en día se han llegado a egis a ac o es de po encia de en e 43%-51% en algunos pa ques eólicos o sho e, alo es muy supe io es a los 28%-41% con los que suele con a la eólica onsho e. Se es ima un po encial écnico global de al menos 17 TW ins alables en aguas de has a 50 m de p o undidad, y ci as aún mayo es si se incluyen ecnologías lo an es. Países como China y A gen ina pod ían gene a has a 3 TW solo en al a ma . Sin emba go, es os casos oda ía cuen an con e os écnicos ales como la p o undidad del ma , los enómenos me eo ológicos iolen os que se dan en es as localizaciones o la dis ancia con la cos a, y po lo an o la necesidad de encon a alguna mane a de almacena la ene gía eléc ica p oducida [3]. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 2 1.3 ENERGIA DE OLAS 1.3.1 RECURSO ENERGETICO La ene gía ma ina ag upa dis in as o mas de ob ene elec icidad a pa i del océano. En e ellas, una de las más p ome edo as es la ene gía de las olas, que p o iene p incipalmen e de la acción del ien o sob e la supe icie del ma . Es e ien o, al sopla sob e el agua, ans ie e su ene gía ciné ica y gene a olas. Po an o, su o igen es á indi ec amen e elacionado con la adiación sola , ya que el calen amien o desigual de la supe icie e es e p o oca los mo imien os de ai e. Las zonas de mayo po encial se encuen an en e las la i udes 30º y 60º, an o en el hemis e io no e como en el su . En es as egiones, la densidad ene gé ica de las olas puede alcanza has a 100 kW/m, muy po encima de o as ene gías eno ables como la sola o la eólica, que suelen es a al ededo de 1 kW/m². Sin emba go, es a al a densidad ambién implica mayo es desa íos écnicos, ya que las condiciones del ma son más ex emas [4]. Figu a 1: Recu so ene gé ico undimo iz global [5] 1.3.2 TECNOLOGIA Ac ualmen e, exis en nume osos p o o ipos y diseños en desa ollo, debido a que es e ipo de ene gías cuen an con cie as limi aciones écnicas y económicas que oda ía se ienen que sol en a . Po lo an o, al habe an as ecnologías di e en es, se di iden en es g andes ca ego ías: 1.3.2.1 Po uncionamien o: • OWC (Oscilla ing Wa e Column): Columnas de agua oscilan es que u ilizan el ai e comp imido po las olas pa a mo e una u bina. • Sis emas de ebose (O e opping): Acumulan agua de las olas en depósi os ele ados y la hacen pasa po u binas. • Cue pos oscilan es: Boyas u o os elemen os lo an es que se mue en con las olas y ans o man ese mo imien o en elec icidad [6] BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 3 Figu a 2: Funcionamien o de un sis ema de ebose u o e opping [6, Fig. 3] 1.3.2.2 Po ubicación: • Onsho e: disposi i os ijos en la cos a, áciles de man ene , pe o con meno cap ación de ene gía. • Nea sho e: ins alados ce ca de la cos a, a poca p o undidad, donde el ecu so sigue siendo impo an e. • O sho e: si uados ma aden o, donde las olas son más po en es, aunque los cos es y di icul ades écnicas son mayo es [7]. Figu a 3: Clasi icación de disposi i os po ubicación [7, Fig. 2] 1.3.2.3 Po o ien ación al oleaje: • Pun o abso ben e: Cap an ene gía desde cualquie di ección. • Te mina o o inalizado : Cap an ene gía de olas que llegan en una sola di ección. • A enuado es: Flo an en pa alelo al mo imien o de las olas y abso ben su ene gía a lo la go de su es uc u a. • Además, se explican las bases ísicas del mo imien o de las olas, como las ayec o ias o bi an es de las pa ículas de agua y su modi icación según la p o undidad. Es os conocimien os pe mi en es ima mejo el po encial ene gé ico disponible y diseña ecnologías adecuadas. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 4 Figu a 4: Con e ido e minado ijo [8, Fig. 5] 1.4 GLOBAL WIND ATLAS El Global Wind A las (GWA) es una pla a o ma digi al in e ac i a desa ollada po el DTU Wind Ene gy (Technical Uni e si y o Denma k) con el p opósi o de p opo ciona acceso lib e y g a ui o a da os geoespaciales de al a esolución sob e el ecu so eólico a ni el global, con especial en oque en países en desa ollo donde la in o mación sob e ien o suele se limi ada o inexis en e. En cuan o a su uncionamien o, el Global Wind A las combina modelos me eo ológicos globales de eanálisis (como ERA5 del ECMWF) con modelos mesoescala es de al a esolución como WRF, y en algunos casos se aplican écnicas de mic oescala como simulaciones CFD (dinámica de luidos compu acional) pa a a ina aún más los esul ados. Es os modelos se alidan y ajus an u ilizando da os eales medidos en es aciones me eo ológicas y o es de medición. El esul ado es un conjun o de mapas con una esolución que puede llega has a los 250 me os, o eciendo es imaciones de elocidad del ien o a di e en es al u as (10 m, 50 m, 100 m y 200 m), lo que se adap a a dis in os ipos de ae ogene ado es. Además, pe mi e explo a a iables cla e como la elocidad media anual del ien o, la densidad de po encia eólica (W/m²), la dis ibución di eccional del ien o median e osas de los ien os, y mapas de ugosidad del e eno y ele ación. También incluye capas de exclusión pa a señala zonas donde no se pueden ins ala ae ogene ado es (como á eas p o egidas, zonas u banas o cue pos de agua in e io es). Es más, inco po a he amien as pa a el cálculo es imado de p oducción anual de ene gía (AEP). Todos es os da os es án disponibles pa a desca ga en o ma os compa ibles con so wa e SIG (Sis emas de In o mación Geog á ica), lo que pe mi e ealiza análisis écnicos p o esionales [9]. A u u o, se espe an mejo as con inuas: inco po ación de da os más ecien es y p ecisos como los de ERA5, ex ensión del análisis a nue as al u as ope a i as adap adas a u binas mode nas, in eg ación de in eligencia a i icial pa a e ina las p edicciones, y habili ación de APIs pa a acili a su in eg ación en pla a o mas ex e nas. 1.5 TOPEX/POSEIDON TOPEX/POSEIDON ue una misión conjun a de la NASA y el Cen o Nacional de In es igación Espacial F ances (CNES) lanzada en 1992, cuyo obje i o p incipal e a medi con p ecisión la opog a ía de los océanos desde el espacio. U ilizando un ada -al íme o, el sa éli e medía la dis ancia en e él y la supe icie ma ina, pe mi iendo elabo a mapas de allados que BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 5 e elaban es uc u as casi impe cep ibles como colinas subma inas, co ien es oceánicas y zonas de al a o baja p esión. Aunque dejó de unciona en 2006, su legado sigue siendo impo an e: sus da os ayuda on a en ende mejo enómenos como El Niño, La Niña, el cambio climá ico y a mejo a la p edicción de o men as y la na egación ma í ima. Fue sucedido po sa éli es como Jason-1, Jason-2, Jason-3 y Sen inel-6 Michael F eilich, que siguen su abajo con ecnologías más a anzadas pa a medi la al u a del ma y la opog a ía oceánica con mayo p ecisión [10]. Figu a 5: Sa éli e TOPEX/Poseidón [10] BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 12 3. METODOLOGIA 3.1 METODOLOGÍA 3.1.1 ESTIMACIÓN DE ENERGÍA DE OLAS MEDIANTE DATOS DE ALTIMETRÍA A la ho a de calcula la densidad de po encia de una ola, los pa áme os más impo an es a ene en cuen a son el pe iodo (𝑇) y la al u a (𝐻) de la ola. En de ini i a, la po encia que puede gene a una ola se exp esa median e la siguien e ecuación: 𝑃=𝑔2𝜌𝐻2𝑇 64𝜋 [𝑊 𝑚] (1) A a és de la ecuación 1, se ob iene la po encia (𝑊) po me o de en e de ola, en la cual in e ienen dos pa áme os adicionales: la acele ación de la g a edad (𝑔) y la densidad del agua (𝜌). Es os alo es se conside an no malmen e cons an es, siendo g = 9,8 m/s² y ρ = 1025 kg/m³, aunque cie os ac o es pueden in lui en ellos [20]. Conside ando dichos alo es como cons an es, la densidad de po encia de las olas puede exp esa se median e la siguien e ecuación: 𝑃=490,27𝐻𝑠2𝑇𝑒[𝑊 𝑚]→𝑃=0,49𝐻𝑠2𝑇𝑒[𝑘𝑊 𝑚] (2) Po o a pa e, pa a calcula la po encia se ía necesa io un ma egula , pe o dado que en la ealidad las olas di ie en en al u a, pe iodo y di ección, se u ilizan como e e encia la al u a signi ica i a de ola (𝐻𝑠) y el pe iodo ene gé ico de ola (𝑇𝑒) [21]. La al u a signi ica i a se de ine como la media del e cio supe io de las olas más al as, mien as que el pe iodo ene gé ico ep esen a la ene gía disponible en el oleaje du an e un in e alo de iempo de e minado. Es e úl imo puede elaciona se con el pe iodo de c uce po ce o (𝑇𝑧), que mide los in e alos de iempo en que las olas c uzan el ni el medio del ma (SWL). Aunque es simila al pe iodo medio de las olas, se adap a mejo a condiciones de oleaje i egula , ya que e leja el pa ón gene al del oleaje y no los ciclos indi iduales. La elación en e Te y Tz consis e en aplica un ac o de 1,18, como se mues a en la ecuación co espondien e: 𝑇𝑒=1,18∙𝑇𝑧 (3) Es o esul a especialmen e ele an e po que los sa éli es de al ime ía p opo cionan como da os básicos la al u a signi ica i a de ola (𝐻𝑠) y el coe icien e de e odispe sión del ada (𝜎0), que indica la can idad de ene gía de uel a al ada , apo ando in o mación sob e la supe icie es udiada. Po lo an o, pa a ob ene 𝑇𝑒 es necesa io p ime o es ima 𝑇𝑧 median e una elación lineal basada en los da os p opo cionados po el ada . 𝑇𝑧=(𝜎0∙𝐻𝑠2)0,25 (4) BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 13 La p incipal en aja de es e mé odo es que, una ez es imado 𝑇𝑒 a pa i de los da os de al ime ía sa eli al, es posible calcula de mane a sencilla la densidad de po encia de las olas [22]. 3.1.2 ANÁLISIS DE FUERZAS DE UN CUERPO FLOTANTE DE ABSORCIÓN DE PUNTO Los disposi i os que emplean el mé odo de abso ción de pun o u ilizan el mo imien o oscila o io de las olas pa a ob ene ene gía. En es os equipos, al elaciona los mo imien os con la hid odinámica, se asume que el compo amien o del cue po es ideal, conside ando que su mo imien o es exclusi amen e e ical y desp eciando la componen e ho izon al. Además, se supone que el cue po no ealiza gi os, aunque en una si uación eal es o no siemp e sea cie o. En la siguien e igu a puede obse a se cómo se plan ea la dinámica de un disposi i o de es e ipo (Figu a 14). Figu a 14: Modelo de oscilación de un disposi i o de abso ción de pun o [21, Fig. 8] Pa a desc ibi el mo imien o del cue po que apa ece en dicha igu a, se u iliza la siguien e ecuación ma emá ica: (𝑚+𝑚∞)𝑧󰇘+∫𝐾𝑟𝑎𝑑 𝑡 0(𝑡−𝜏)𝑧󰇗𝑑𝜏+(𝑆𝑔𝜌)𝑧=𝑓𝑒𝑥𝑡+𝑓𝑃𝑇𝑂 (5) En es a ecuación, los é minos 𝑧󰇘,𝑧󰇗 y 𝑧 ep esen an la acele ación, la elocidad y el desplazamien o del disposi i o en el eje e ical. Se conside an ambién o os pa áme os ele an es, como la masa del cue po (𝑚), la masa adicional ine cial del agua de ma (𝑚∞), el ni el del agua (𝑆), la densidad del agua (𝜌), la acción de la g a edad (𝑔) sob e el cue po y el amo iguamien o que es e su e debido a la ene gía ansmi ida po las oscilaciones de las olas en o ma de adiación (∫𝐾𝑟𝑎𝑑 𝑡 0(𝑡−𝜏)𝑧󰇗𝑑𝜏). En e las ue zas que ac úan sob e el disposi i o se encuen an la componen e e ical de la ue za de exci ación p oducida po la ola( 𝑓𝑒𝑥𝑡) y la ue za del PTO (Powe Take O , 𝑓𝑃𝑇𝑂), que co esponde al sis ema enca gado de abso be la po encia. Si se ealiza su desa ollo ma emá ico, se ob iene la siguien e o mula: (𝑚+𝑚∞)𝑧󰇘=𝑓𝑒𝑥𝑡−𝐵𝑧󰇗−(𝑆𝑔𝜌)𝑧+𝑓𝑃𝑇𝑂 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 14 (6) A pa i del desa ollo ma emá ico de la ecuación 3, se ob iene la ecuación 4, la cual, a di e encia de la an e io , no incluye el é mino de impulso adiado de las olas (𝐾𝑟𝑎𝑑). Es e é mino puede desa olla se median e unciones exponenciales complejas, ob eniendo así el coe icien e de amo iguamien o po adiación (𝐵), ep esen ado como 𝑏𝑧󰇗 [23]. Además, en la ecuación 4 se conside a que la ue za del PTO es lineal, lo cual se ep esen a ma emá icamen e en la siguien e ecuación: 𝑓𝑃𝑇𝑂 =𝑐𝑃𝑇𝑂𝑧󰇗+𝑘𝑃𝑇𝑂𝑧 (7) Median e es a ecuación, se descompone la ue za PTO en dos coe icien es: el coe icien e de amo iguamien o del PTO (𝑐𝑃𝑇𝑂) y el coe icien e de igidez elás ica del PTO (𝑘𝑃𝑇𝑂), mos ado en la Figu a 14 median e un muelle. De es a mane a, as aplica es a simpli icación, la dinámica del cue po se uel e comple amen e lineal y puede exp esa se a a és de una ecuación lineal: (𝑚+𝑚∞)𝑧󰇘+(𝑏+𝑐𝑃𝑇𝑂)𝑧󰇗+(𝑆𝑔𝜌+𝑘𝑃𝑇𝑂)𝑧=𝑓𝑒𝑥𝑡 (8) Es a o mulación pe mi e desc ibi de mane a lineal la hid odinámica de un cue po lo an e, lo que a su ez acili a su modelización y con ol. En luga de abaja en el dominio empo al, la ecuación puede ans o ma se al dominio de la ecuencia aplicando la ans o mada de Laplace: 𝑍(𝑠) 𝑓𝑒𝑥𝑡(𝑠)=1 (𝑚+𝑚∞)𝑠2+(𝑏+𝑐𝑃𝑇𝑂)𝑠+(𝑆𝑔𝜌+𝑘𝑃𝑇𝑂) (9) Además, a pesa de que 𝑠=𝜎+𝑗𝜔 , ambién se puede exp esa como 𝑠=𝑗𝜔, ya que el mo imien o del cue po se e in luido po la ecuencia de las olas (𝜔), de inida como 𝜔= 2𝜋/𝑇, donde el pe iodo de la ola (𝑇) es un pa áme o esencial. La unción de ans e encia puede ep esen a se con la siguien e ecuación: 𝑍(𝑗𝜔) 𝑓𝑒𝑥𝑡(𝑗𝜔)=1 (𝑆𝑔𝜌+𝑘𝑃𝑇𝑂)−(𝑚+𝑚∞)𝜔 2+(𝑏+𝑐𝑃𝑇𝑂)𝑗𝜔 (10) Median e es a ecuación se ob iene la a iable necesa ia pa a calcula el alo medio de la po encia (𝑃), el desplazamien o del cue po en elación con la ecuencia de las olas (𝑍), es deci , la ampli ud del mo imien o e ical que el disposi i o ealiza al se exci ado po el oleaje. Po lo an o, la po encia se pod ía desc ibi de la siguien e mane a: 𝑃=1 2𝑐𝑃𝑇𝑂𝜔 2|𝑍|2 (11) BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 15 Sin emba go, pa a pode alcanza la po encia óp ima, debe cumpli se la condición 𝑐𝑃𝑇𝑂 =𝑏, ya que el amo iguamien o po adiación y el amo iguamien o del PTO han de se equi alen es [23]. Asimismo, la ecuencia de las olas (𝜔) debe ajus a se según la ecuación co espondien e: 𝜔=√𝑆𝑔𝜌+𝑘𝑃𝑇𝑂 𝑚+𝑚∞ (12) En de ini i a, pa a que el mo imien o del cue po sea óp imo, es e debe compo a se como un oscilado lib e, sin amo iguamien o, con una ecuencia de inida po la masa (𝑚+𝑚∞) y la igidez e ec i a dada po (𝑆𝑔𝜌+𝑘𝑃𝑇𝑂). 3.1.3 ENERGÍA EÓLICA La ene gía eólica se basa en la con e sión de la ene gía ciné ica del ien o en ene gía mecánica median e o o es ae odinámicos, que pos e io men e se ans o ma en elec icidad a a és de un gene ado acoplado. Es e p oceso descansa en p incipios ísicos bien es ablecidos de la mecánica de luidos como la ley de Be noulli, a a és de la cual se sabe que pa a man ene cons an e el caudal de un luido, cuando el á ea se educe la elocidad del luido debe aumen a , y ice e sa. Es e e ec o gene a una di e encia de p esión que es la que p oduce el mo imien o de las aspas de un ae ogene ado . Las pa ículas de ai e que se encuen an en una misma línea a anzan jun as, de modo que, cuando encuen an un obs áculo como el ala de una pala, se di iden. Las pa ículas que ci culan po la pa e in e io de la pala eco en un ayec o más co o po lo que las que pasan po encima deben aumen a su elocidad. Es a acele ación de las pa ículas p o oca una caída de p esión. Así se gene a la ue za de sus en ación, ambién conocida como ue za li , que impulsa la pala hacia a iba y, en consecuencia, p oduce la o ación (Ande son & Ebe ha d , n.d.). Figu a 15: Simulación del lujo de ai e en un pala, donde pode e la acele ación y decele ación [24, Fig 2] Incidiendo en es e mé odo desde un pun o de is a cien í ico, el ien o puede conside a se un lujo de ai e con densidad 𝜌 que se desplaza a una elocidad 𝑣. El lujo a a iesa un á ea 𝐴 ba ida po el o o del ae ogene ado , gene ando una po encia eó ica disponible dada po la siguien e ecuación undamen al: 𝑃=1 2𝜌𝐴𝑣3 BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 16 (13) Como se puede ap ecia , 𝑃 ep esen a la po encia con enida en el ien o, 𝜌 es la densidad del ai e (ap oximadamen e 1,225 kg/m³ a ni el del ma y condiciones es ánda ), 𝐴 es el á ea ci cula de inida po el diáme o de las palas, y 𝑣3 es la elocidad del ien o inciden e. Es a elación cúbica mues a cómo pequeñas a iaciones en la elocidad del ien o impac an de mane a signi ica i a en la po encia disponible, lo que con ie e a la medición y modelización del ecu so eólico en un aspec o c í ico pa a la plani icación de p oyec os [25]. No obs an e, no oda la ene gía ciné ica puede ans o ma se en elec icidad. El lími e de Be z es ablece que la e iciencia máxima eó ica de un ae ogene ado ideal es del 59,3 %. En la p ác ica, ac o es ae odinámicos, mecánicos y eléc icos educen es a e iciencia, alcanzándose habi ualmen e coe icien es de po encia (𝐶𝑝) en e 0,35 y 0,5 en u binas come ciales mode nas. Así, la po encia eal ex aída po un ae ogene ado se exp esa como: 𝑃=1 2𝜌𝐴𝐶𝑝𝑣3 (14) La elación en e la po encia gene ada y la elocidad del ien o se ep esen a a a és de la denominada cu a de po encia del ae ogene ado . Es a cu a desc ibe es egiones undamen ales: elocidad de a anque (dependiendo del modelo, al ededo de 3-4 m/s), elocidad nominal (dependiendo del modelo, siendo los más común en e 12-15 m/s) y elocidad de co e (al ededo de 20-25m/s). Figu a 16: Cu a de po encia de un ae ogene ado Es e compo amien o pe mi e comp ende la es echa elación en e la disponibilidad del ecu so eólico y la p oducción e ec i a de un pa que. El análisis de allado de la cu a de po encia, en conjun o con los da os me eo ológicos de la go plazo, es esencial pa a la es imación de la ene gía anual gene ada (AEP), el ac o de capacidad (CF), que son la p oducción es imada en e a la que se ob end ía si el ae ogene ado abaja a a po encia nominal y la can idad de ho as en las que pod á unciona , da os esenciales pa a hace el dimensionamien o adecuado de la in aes uc u a de in eg ación en la ed. 3.1.4 IMPACTO DE LA HIBRIDACIÓN DE LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ Y LA ENERGÍA EÓLICA 3.1.4.1 In luencia de las olas en la gene ación eólica o sho e A pesa de que la ene gía eólica o sho e o ece cie as en ajas en compa ación con la ene gía eólica con encional u onsho e, es cie o que iene sus incon enien es écnicos que oda ía hoy en día se es án a ando de puli . En e ellos se encuen a la in luencia que ienen las olas BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 17 del ma en la p oducción eólica, dado que como bien se ha mencionado p e iamen e, las palas de los ae ogene ado es deben es a si uados de una de e minada o ma pa a pode ap o echa lo máximo posible el ecu so eólico con el que se cuen a, lo cual di icul an las olas, especialmen e en casos de ene gía eólica o sho e lo an e, dado que en es os casos las es uc u as se mue en más y es más di ícil man ene una posición i me en e al ien o. Las pla a o mas lo an es de los ae ogene ado es o sho e son muy sensibles a la exci ación ecibida po las olas inciden es, que p o ocan un momen o de esco a o momen o pi ch en los p opios ae ogene ado es [26]. El empuje hid os á ico p o ocado po las olas desequilib a el ae ogene ado , lo cual se puede exp esa de la siguien e mane a: 𝑀=𝜌𝑔𝐴𝐻𝑠𝑙 (15) Es a ecuación e leja el momen o pi ch que su e el ae ogene ado , siendo la 𝜌 la densidad del agua de ma , la 𝑔 la ue za de la g a edad, la 𝐴 el á ea de lo ación de la pla a o ma del ae ogene ado , el 𝐻𝑠 la al u a signi ican e de ola y la 𝑙 el b azo de la palanca (la dis ancia desde el cen o de ca ena al cen o de aplicación de la ue za) [26]. Po lo an o, cuando mayo sea el ae ogene ado , mayo se á la ines abilidad que end á con a las olas, eniendo que compensa la con pla a o mas más obus as. Figu a 17: Angulo de esco a de un cue po Una ez se sabe el momen o, se puede ob ene la acele ación angula de la pla a o ma en esco a usando la segunda ley de New on, aplicada pa a o aciones, donde hab ía que elaciona el momen o de esco a con el momen o de ine cia de la pla a o ma espec o al eje de esco a, como se puede obse a en la siguien e imagen [27]: 𝛼=𝑀 𝐼 (16) G acias a es a ecuación, se conoce la espues a angula de la es uc u a debido al momen o hid odinámico [27]. Es a espues a angula , suponiendo que la espues a de la pla a o ma BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 18 puede ap oxima se a una oscilación a mónica lineal o zada, pe mi e conoce la ampli ud angula de la oscilación. Es o consis e en que la oscilación o zada po el momen o hid os á ico cuen e con una ecuencia igual al de la ola [27]. Es o se puede exp esa median e la siguien e ecuación: 𝜃= 𝛼 𝜔2 (17) Po lo que se puede obse a , se elaciona la acele ación angula (𝛼 )p o ocada con las olas con la ecuencia angula de las mismas (𝜔), el cual non es más que 𝜔=2𝜋 𝑇 , ob eniendo de es a mane a la ampli ud angula (𝜃), la cual es la causan e de la pe dida de po encia del ae ogene ado al saca lo de su pun o óp imo. Es o debido a que el mo imien o en esco a modi ica la o ien ación del o o espec o al ien o inciden e, educiendo la cap ación ae odinámica, cuya ap oximación es: 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑜=𝑃0(1−𝑐𝑜𝑠3(𝜃)) (18) En es a ecuación, 𝑃0 ep esen a la po encia del ae ogene ado sin pe u baciones, y como es e se e a ec ado po el ángulo de esco a que modi ica su posición sob e el ien o inciden e, lo que de i a en un con ol necesa io más p eciso de es os equipos. 3.1.4.2 Modelo de disipación de ola po boya Los obs áculos con los que se encuen an las olas, dependiendo de las ca ac e ís icas ísicas del obje o en cues ión, puede p o oca una disipación de la ola, es deci , una disminución de su al u a, y po lo an o, pod ía aplica se es e mé odo pa a la educción de su impac o en los ae ogene ado es. Pa a ello, p ime o hay que conoce la longi ud de onda que ienen las olas. Pa a pode ob ene dicha exp esión, hay que elaciona la con el pe iodo de ola, la cual iene elación lineal en casos en los cuales las aguas son p o undas, ℎ>𝐿/2 , es deci , cuando la p o undidad es mayo a la mi ad de la longi ud de onda: 𝐿=𝑔𝑇2 2𝜋 (19) En la ecuación, 𝐿 es la longi ud de onda de la ola, la dis ancia que hay en e una ola y o a, la 𝑔 la g a edad y la 𝑇 el pe iodo de ola, la di e encia de iempo que hay en e dos olas. Cuando una ola encuen a un obs áculo lo an e (boya, disposi i o de ene gía undimo iz, ompeolas lo an e), pa e de la ene gía se e leja, pa e se disipa y pa e se ansmi e [28]. A a és de un modelo exponencial simpli icado, aplicable a obs áculos en línea, se puede usa la siguien e exp esión: 𝐾𝑡=exp (−2𝑛𝜆𝑏 𝐿) (20) BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 19 La ecuación ep esen a la acción que se ansmi e de la ola inciden e, que can idad de la p ime a ola pasa á a pa i del obs áculo, en es e caso, una boya. La 𝐿 ep esen a la longi ud de onda calculada p e iamen e, 𝑛 la can idad de obs áculos que hab á delan e de la ola y 𝜆𝑏 el ancho ca ac e ís ico de cada boya. Una ez se conoce la acción de ola que se a a ansmi i , se puede ob ene la al u a de ola signi ican e que queda á después de que la ola haya pasado po el obs áculo, elacionándolo linealmen e con la al u a signi ican e de ola, como se puede e en la siguien e ecuación [28]: 𝐻𝑠𝑒𝑓𝑓 =𝐾𝑡𝐻𝑠 (21) Median e es a ó mula, se puede sabe cuál se á la al u a signi ican e de la ola que incidi á sob e la pla a o ma lo an e del ae ogene ado , g acias a la disipación de la ola inciden e g acias a las boyas que o man un obs áculo delan e. 3.2 PROGRAMACIÓN 3.2.2 ENERGÍA DE OLAS 3.2.2.1 Da os de TOPEX/Poseidon Pa a es e p oyec o se u iliza án los da os del ni el del ma ecogidos po el sa éli e TOPEX/Poseidon desde ene o de 1993 has a no iemb e de 2005. Es os da os ecogen los ni eles del ma de odo el mundo, o eciendo los p omedios de los da os ob enidos cada mes, como puede e se en la siguien e igu a: Figu a 18: Da os ecogidos po TOPEX en 1993 En cada a chi o de la Figu a 18 apa ecen, pa a un mes conc e o, el indicado de al u a de ola (𝐻𝑠) y el coe icien e de e odispe sión del ada (𝜎0), dis ibuidos en pun os del mundo según pa es de coo denadas de longi ud y la i ud, al y como se mues a en la siguien e igu a: BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 20 Figu a 19: Da os del ni el del ma de ene o de 1993 3.2.2.2 Dis ibución de los da os po es aciones Una ez conocido el con enido de cada a chi o, és os se ag upan po es aciones, gua dándolos en ca pe as co espondien es a cada una. Figu a 20: Ca pe as de cada es ación Dado que el obje i o del abajo es coloca un cue po lo an e del ipo abso bedo pun ual en dos pun os dis in os de la cos a aus aliana, an es de ealiza el análisis es necesa io ene en cuen a que el ecu so ene gé ico p esen e en el ma no se man iene cons an e a lo la go del año. Po ello, el análisis del ecu so ene gé ico en las cos as aus alianas se lle a á a cabo de mane a es acional, pa a obse a las a iaciones de p oducción que los disposi i os pod ían ene en cada es ación y así ob ene conclusiones más p ecisas. Pa a dis ibui los da os po es aciones, los 12 a chi os de cada año se han clasi icado en las ca pe as co espondien es a cada es ación. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 21 Figu a 21: Ca pe a de e ano Como se puede obse a en la Figu a 21, los a chi os de ene o, eb e o y ma zo se han in oducido en la ca pe a de e ano, siguiendo el mismo pa ón con el es o de es aciones. Es impo an e señala que, aunque es os a chi os co esponde ían al in ie no en España, al encon a se Aus alia en el hemis e io su , allí se conside an e ano. Lo mismo ocu e con la p ima e a y el o oño. Po lo an o, los da os de los es p ime os meses del año se oman como da os de e ano y no de in ie no. 3.2.2.3 T a amien o de los da os median e el p og ama R Una ez que los da os es án clasi icados po es aciones, es necesa io a a los con el p og ama R. Figu a 22: Impo ación de los da os de julio de 1993 Tomando como ejemplo los da os del in ie no aus aliano, en la Figu a 22 se puede obse a cómo se impo an los a chi os de la ca pe a de in ie no en R, aplicando las medidas necesa ias pa a que el p og ama pueda manipula co ec amen e los da os, en e ellas de ini como “Na” aquellos egis os que puedan ene el alo “-999”. De es a mane a se e i a que los da os al an es in luyan en los cálculos, ya que al e a ían los esul ados. A pa i de aquí, los da os ya es án lis os pa a abaja con ellos en R. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 28 las dos p ime as columnas con ienen la la i ud y la longi ud, y las es an es con ienen las al u as de ola y pe íodos. Una ez iden i icadas las ilas co espondien es, como se quie e o ganiza la in o mación de mane a mensual, se de inen el inicio y el inal de los da os, y se gua da en la a iable “ echas” cada uno de los meses pa a cada ila. Figu a 37: Meses del p ime año del pa áme o “ echas” A con inuación, deben ex ae se odas las al u as signi ica i as de ola de esas ilas (sin ene en cuen a aún los pe íodos), y almacena las en la a iable “H_po _mes”, dis ibuidas en ilas pa a cada ubicación y en columnas pa a cada mes. Figu a 38: Al u a signi ican e de ola epa ida en meses Después de o ganiza los da os mensualmen e en la misma a iable, es necesa io anspone los, de modo que pasen de es a en dis in as ilas a coloca se en una misma columna. Es impo an e señala el de alle del código mos ado al inal de la Figu a 38: los da os de 2005 solo aba can 10 meses, po lo que pa a cons ui una ma iz con dimensiones homogéneas se decidió inclui un alo “NaN”. Es o esuel e el p oblema dimensional y, al mismo iempo, no al e a los esul ados pos e io es, ya que los “NaN” no se ienen en cuen a en los cálculos. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 29 Figu a 39: Hace ma iz y el g á ico de las al u as de ola signi ican e y Figu a 40: Ma iz de al u a signi ican e de ola de 1993 a 2005 Con la ma iz de al u as de ola ya c eada, se puede elabo a un diag ama de cajas pa a analiza la dis ibución mensual de las al u as, como se mues a en la Figu a 40. El mismo p ocedimien o debe epe i se con los pe íodos, u ilizando en es e caso las columnas co espondien es en la a iable “H_mes_pe h”, ya que los pe íodos apa ecen jus o después de los da os de al u a den o de la a iable “da os”. T as o ganiza los pe íodos de la misma mane a, se pod án calcula las po encias mes a mes aplicando la ecuación 2 (Memo ia, 3.1.1). Figu a 41: C eación de la ma iz de pe iodos y del g a ico de po encia 3.2.2.8 Da os de la simulación de la boya Pa a ealiza las simulaciones con la boya, p ime o es necesa io de ini su o ma, sus ca ac e ís icas ísicas y las p opiedades del agua que la odea á. La boya end á la siguien e o ma (Figu a 42): BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 30 Figu a 42: Diseño de la boya o cue po lo an e Una ez de inida la es uc u a de la boya, deben especi ica se sus dimensiones, ya que pos e io men e se lle a á a cabo un análisis hid odinámico del cue po. Es e análisis se ealiza con el so wa e NEMOH, una he amien a u ilizada pa a el es udio hid odinámico de cue pos lo an es. NEMOH pe mi e analiza las dis in as ca gas que su en los cue pos al in e ac ua con las olas, como po ejemplo la masa añadida de agua de ma mien as se mue e la boya. Las ca ac e ís icas ísicas de la boya se mues an en la Figu a 43: Figu a 43: Ca ac e ís icas ísicas de la boya Las p ime as especi icaciones co esponden a las p opiedades p opias de la boya, ecogidas del p o o ipo aus aliano de ene gía undimo iz “CETO 5”, el cual con aba con 11m de diáme o y un peso ap oximado de 50 oneladas. Los da os que apa ecen as la masa p o ienen de NEMOH y ep esen an las ca gas que el ma eje ce ía sob e dicho cue po, dispues as en una ma iz. Es as ca gas incluyen: masa ine cial adicional del agua asociada (m_in ), amo iguamien o po adiación (B), exci ación (Fe) y ecuencia de las olas (w). Es os pa áme os apa ecen en las ecuaciones p esen adas an e io men e (Memo ia, 3.1.2). De inidas las ca ac e ís icas ísicas, es necesa io ealiza el análisis hid odinámico de las boyas a simula , indicando odas las ue zas que ac ua án sob e ellas, al como se explicó p e iamen e (Memo ia, 3.1.2). Pa a ello, en Ma lab se debe de ini la in luencia de odas las ue zas ep esen adas en la Figu a 14. Como los dos emplazamien os es udiados es a án some idos a las mismas ue zas, se p esen a p ime o la de inición pa a una sola boya. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 31 Figu a 44: Análisis de ue zas que hay sob e un cue po lo an e de abso ción de pun o En la Figu a 44 se mues a el análisis de ue zas pa a la boya ins alada en Pe h. El código incluye un bucle que eco e los meses del año, calculando los alo es medios de al u a signi ica i a de ola y pe íodo, a pa i de los cuales se de e mina la ecuencia de las olas y, con ello, la po encia cap ada. Una ez ob enidos es os da os, se ealiza una in e polación en las ma ices gene adas con NEMOH pa a de e mina los alo es co espondien es de cada pa áme o en unción de la ecuencia de las olas. Después, se de inen los pa áme os PTO en condiciones óp imas, al como se p esen a en la ecuación 12. Finalmen e, se cons uye la unción de ans e encia de la boya con odos los pa áme os de inidos has a el momen o. Es a unción pe mi e calcula el desplazamien o e ical de la boya pa a cada al u a de ola y pe íodo, desplazamien o que después se ans o ma en po encia median e la ecuación 11. Todo el p oceso se ejecu a den o de un bucle mensual, de mane a que se ob iene la po encia media de la boya pa a cada mes: Figu a 45: Po encia mensual ob enida po la boya en Pe h El mismo p oceso debe epe i se pa a la segunda boya, almacenando los esul ados bajo un nomb e dis in o pa a e i a sob esc ibi los da os y pode compa a los más adelan e. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 32 Figu a 46: G a icación de las po encias de las dos localizaciones De es e modo, una ez conocidas las po encias mensuales en ambas localizaciones, se ep esen an en dos ipos de g á icos dis in os (ba as y líneas), al como se mues a en la Figu a 46. Además, pa a acili a la in e p e ación, se calcula y se dibuja en los g á icos la po encia media en cada caso, lo que pe mi e obse a la di e encia en e los dos emplazamien os. 3.2.3 ENERGÍA EÓLICA OFFSHORE 3.2.3.1 Cu a de po encia del ae ogene ado con Ma lab Pa a pode es ima la gene ación ene gé ica de un ae ogene ado , p ime o hay que hace calcula su cu a de po encia. El ae ogene ado elegido es un ae ogene ado de 5 MW, que cuen a con las siguien es ca ac e ís icas écnicas: Figu a 47: Ficha écnica del ae ogene ado de 5 MW seleccionado [30] BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 33 Teniendo en cuen a es os da os, se puede elabo a una cu a de po encia, sabiendo que a 3 m/s no hay gene ación y que a 11,4 m/s se gene an 5 MW, aplicando la siguien e ecuación: 𝑃 (𝑘𝑊)=𝑎×𝑈3(𝑚 𝑠)+𝑏 (22) Po lo an o, aplicando es a ecuación en Ma lab, y me iendo di e en es pa áme os de las ca ac e ís icas écnicas desc i as en la igu a an e io , se puede ob ene la cu a de po encia del ae ogene ado : Figu a 48: Calculo y desa ollo de diag ama de la cu a de po encia del ae ogene ado Median e es e código, se gene a la cu a de po encia del ae ogene ado , donde es án egis ada la po encia que el ae ogene ado gene a á po cada elocidad de ien o, impo an e a la ho a de hace el análisis del siguien e pun o. 3.2.3.2 Impac o de las olas en la gene ación de ene gía eólica o sho e lo an e A pesa de que las pla a o mas sob e las que se posan los ae ogene ado es lo an es son mejo es, el e ec o de las olas sob e ellos es un p oblema a ene en cuen a. Al inal, cuando una incide sob e un ae ogene ado , es e pie de la posición especi ica con la que cuen a pa ea gene a una can idad exac a de ene gía. Las olas hacen que el con ol de es os ae ogene ado es sea más complejo, dado que el mo imien o debido a las olas hace que el con ol del pi ch de los ae ogene ado es (el sis ema que u ilizan pa a con ola la ene gía que se quie e gene a ) a ía, y es o hace que es a des iación se dé cons an emen e en es as si uaciones, siendo de mayo o meno g a edad dependiendo de la al u a y el pe iodo de las olas. Aplicando el mé odo explicado p e iamen e (Memo ia,3.1.4.1), se puede hace una ap oximación de la ene gía que pie de un ae ogene ado debido a las olas. Po lo an o, es o se aplica á pa a los di e en es análisis que se ealiza án, como se puede obse a en la siguien e igu a: BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 34 Figu a 49: Calculo de las pé didas de po encia del ae ogene ado po culpa de las olas En la igu a se puede obse a que se han o o gado di e en es pa áme os ísicos cons an es an o del en o no como del ae ogene ado usado, pa a pode lle a a cabo los cálculos que se quie en ealiza . Además, ambién se de inen las al u as signi ican es y pe iodos de ola egis ados, pa a pode hace un análisis en unción de ambos pa áme os. Una ez de inidos los da os, se ealizan los cálculos pa a es ima la pe dida de po encia, e iciencia que iene el ae ogene ado con los da os de las olas co espondien es y la po encia que gene a después de aplica le la pe dida de po encia. Figu a 50: G á icos de pe dida de po encia del ae ogene ado Pa a pode isualiza en condiciones es os esul ados y que el análisis sea más ap opiado, se op a po usa g á icos de dispe sión, donde se pod án e cada uno de los casos po al u a de ola signi ican e y pe iodo de ola. 3.2.3.3 Impac o de la hib idación de la ene gía de olas con la ene gía eólica o sho e BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 35 Pa a educi el impac o que ienen las olas en la gene ación de un ae ogene ado o sho e lo an e, hay que educi la ampli ud de las olas, o dicho de o a mane a, la al u a signi ican e de las mismas, dado que es más ácil que cambia el pe iodo de es as. Po lo an o, hace una ins alación hib ida de boyas y ae ogene ado es es una al e na i a po que es os cuando pase la ho a la ap o echa án pa a gene a ene gía, pe o además indi ec amen e educi án su al u a, disminuyendo su impac o en el ae ogene ado . Además, el pone más de una boya de es as po ae ogene ado , hace que el impac o de las olas se eduzca oda ía más, ya que la supe icie que ocupan es mayo . Po lo an o, aplicando las ecuaciones is as an e io men e (Memo ia, 3.1.4.1), y sus i uyendo la al u a mencionada en el código an e io po el nue o ob enido, el código queda de la siguien e mane a: Figu a 51: In luencia de las boyas en las pé didas de los ae ogene ado es BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 36 4. RESULTADOS 4.1 ANALISIS DEL RECURSO ENERGETICO DE AUSTRALIA 4.1.1 ENERGÍA DE OLAS 4.1.1.1 Análisis es acional de los mapas ob enidos con R Tal y como se mencionó an e io men e (Memo ia, 3.2.3.2), el ecu so ene gé ico de las olas en Aus alia no es cons an e a lo la go del año, p esen ando las a iaciones más no ables en el su oes e del país. Median e el p og ama R, se han ob enido las al u as de ola y los pe íodos en o no a Aus alia, pa a conoce el ecu so ene gé ico cos e o de o ma es acional, como se mues a en la Figu a 52. Figu a 52: WEF de Aus alia en e 2003 y 2005 epa ido en es aciones Se obse a que el ecu so ene gé ico de las olas en Aus alia p esen a g andes a iaciones en la zona su oes e, donde en o oño y sob e odo en in ie no el ecu so es muy ele ado. Es e esul ado no es so p enden e, ya que en esa egión se p oducen ue es o men as, especialmen e en los meses in e nales, que gene an ien os de g an elocidad. La ene gía ciné ica de es os ien os se ansmi e al ma , p oduciendo inalmen e olas de g an amaño. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 37 Po es e mo i o, se ap ecia que en la zona de la ciudad de Pe h exis e un ecu so muy ele ado. Aunque en p ima e a y e ano el ecu so no es an g ande, sigue siendo lo su icien emen e in e esan e como pa a conside a la ins alación de un disposi i o. Incluso en los meses con meno ecu so, es e sigue siendo muy al o, ya que en pocas egiones del mundo se encuen a una disponibilidad ene gé ica an signi ica i a. No obs an e, hay que señala que las aguas en esa zona son muy p o undas. Teniendo en cuen a las limi aciones ac uales de la ecnología, hab ía que e alua si ealmen e es posible ins ala un disposi i o y si me ece la pena desplaza se ma aden o pa a ap o echa esa ene gía, compa ado con la que pod ía cap a se más ce ca de la cos a. Además, el hecho de que el ecu so sea an a iable plan ea un desa ío adicional: si las olas supe an lo que el disposi i o puede esis i , és e puede ompe se o desgas a se, educiendo su ida ú il. Po o o lado, en el no e de Aus alia el ecu so ene gé ico es muy limi ado, in e io a 10 kW/m y con pocas a iaciones. Hay que ene en cuen a que la ins alación de un disposi i o pa a ap o echa la ene gía de las olas solo se conside a iable a pa i de los 5 kW/m [25]. La en aja de es a zona adica en su ba ime ía: a di e encia del su , la p o undidad del ma aumen a muy poco al aleja se de la cos a, man eniéndose en e 20 y 100 m. Sin emba go, el hecho de que el ecu so se man enga en alo es an bajos en oda la cos a no e hace cues ionable si ealmen e me ece la pena la in e sión. Po úl imo, cabe des aca que el ecu so en la zona occiden al y en el su es e de Aus alia es más in e esan e de lo que mues an las igu as. Aunque no es an ele ado como en el su oes e, p esen a una en aja cla e: se man iene bas an e cons an e a lo la go del año. Desde el pun o de is a de la du abilidad del disposi i o, es o es muy impo an e, ya que las olas que ecibi á se án en gene al simila es, educiendo el iesgo de o u a. Además, el ecu so ene gé ico en es as egiones se si úa en e 15 y 60 kW/m, alo es muy supe io es al mínimo necesa io pa a jus i ica la ins alación de un disposi i o. La des en aja, de nue o, es la g an p o undidad ma ina a medida que se a anza ma aden o. 4.1.1.2 Localizaciones de las ins alaciones analizadas Es e análisis se ealiza en dos zonas de Aus alia que p esen an ecu sos muy di e en es en e sí. El obje i o es obse a las di e encias en las al u as signi ica i as de ola y en la po encia, pa a después elaciona las con el impac o que es o puede ene en la simulación de un disposi i o. Las zonas seleccionadas son: • La cos a de Sídney (34º S, 152º E). • Un pun o al su de la cos a de Pe h con al o ecu so (38º S, 118º E). Es as ubicaciones se mues an en la Figu a 53, señaladas con una chinche a ama illa y un ecuad o ojo: BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 44 Figu a 61: Di e encia de la po encia ob enida po ambas boyas En la Figu a 61se p esen an dos g á icos que mues an los esul ados de o ma di e en e: en el p ime o, median e un g á ico de ba as y en el segundo, median e un g á ico de líneas. Ambos ep esen an la po encia mensual que ob end ía cada boya a lo la go del año, pe o cada o ma o pe mi e in e p e a de dis in a mane a las di e encias en e las dos localizaciones. En cuan o al g a ico de ba as, se obse a cla amen e que la boya de Pe h gene a ía una po encia mucho mayo que la de Sídney. Al inal, el alo mínimo de la boya de Pe h onda los 500 kW, mien as que el alo máximo de la boya de Sídney no alcanza los 250 kW. Po lo an o, el emplazamien o de Pe h es mucho más adecuado desde el pun o de is a del ap o echamien o ene gé ico, ya que incluso en las condiciones menos a o ables gene a ía el doble de ene gía que la de Sídney. En cuan o al g a ico de líneas, ambién se con i ma que la boya de Pe h ob iene una po encia mucho mayo . Se des aca, además, la a iabilidad del ecu so en Pe h en e a la cons ancia en Sídney. En Pe h, du an e los meses de e ano, la po encia de la boya es de unos 500 kW, pe o al llega el in ie no aumen a signi ica i amen e, alcanzando alo es de has a 2000 kW. La media de po encia ob enida po la boya de Pe h es de 994,7 kW, más de 1000 kW po debajo del alo máximo, lo que e leja la g an i egula idad ya señalada en el análisis del ecu so. En Sídney, en cambio, la po encia se man iene p ác icamen e cons an e a lo la go del año. Aunque exis e cie a di e encia en e e ano e in ie no, la a iación no es muy g ande. La po encia media de la boya es de 161 kW, con una dispe sión de apenas ±40 kW espec o a la media. Es o con as a con la g an a iabilidad obse ada en Pe h. 4.2.2 ENERGÍA EOLICA OFFSHORE A pesa de que en el análisis del ecu so eólico o sho e se han dado cie os da os de gene ación del ae ogene ado , es os no ienen en cuen a la in luencia que ienen las olas en los ae ogene ado es, lo cual p o oca una pé dida de po encia cada ez incide una ola BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 45 conside ablemen e ene gé ica. Sin emba go, en las dos ubicaciones que se es án analizando el amaño de las olas y los pe iodos son di e en es, así que se ha á el análisis indi idualmen e pa a pode e mejo el impac o que iene en cada uno. Ins alación de Sídney: Figu a 62: Pe didas del ae ogene ado de Sídney Se puede e como a medida que aumen a la al u a signi ican e de ola y el pe iodo la po encia pe dida ambién lo hace, concen ándose la mayo ía de las pe didas po debajo de 100 kW pa a la g an mayo ía de las olas. Es o se debe a que como se ha mencionado an e io men e, las olas en es a ubicación son bas an e cons an es du an e odo el año, no a ían demasiado, po lo que el impac o que end án en los ae ogene ado es ampoco. Además, se puede e que p ác icamen e en la mayo ía de los casos la e iciencia de los ae ogene ado es se man iene en el 97% o más. En los casos más des a o ables, los cuales son con 3,5m de al u a signi ican e de ola y pe iodos mayo es a 8 segundos, se han dado pé didas de 350 kW, lo que supone al ededo de un 93% de e iciencia. Po úl imo, hay que des aca ambién el impac o que iene ambién el pe iodo, debido a que a pesa de que el aumen o de la al u a de las olas no es muy signi ica i o de los casos más comunes a los más ex años, la e iciencia y po ende la pe dida de po encia aumen a bas an e. Ins alación de Pe h: BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 46 Figu a 63: Pe didas del ae ogene ado de Pe h En cuan o a la igu a 63, se puede e como la in luencia de las olas en es a ins alación es mayo , lo cual es no mal iendo la di e encia en las al u as de olas is as en los análisis an e io es. En es a ins alación la g an mayo ía de los casos se si úan po debajo de los 1000 kW de pe didas, siendo las pé didas de ca ác e lineal a medida que aumen a la al u a de ola. Además, hay que des aca que en los casos más des a o ables se llega a egis a pé didas de 2000-2500 kW, lo que equi ald ía a la mi ad de la p oducción nominal del ae ogene ado . En cuan o a la e iciencia, más de los mismo. Es a sigue una p og esión lige amen e lineal, es ando la mayo ía de los casos de 70% pa a a iba. En los casos más des a o ables, se ob ienen alo es de al ededo del 60% de e iciencia, con un caso lige amen e in e io al 50%. 4.3 IMPORTANCIA DE LA HIBRIDACIÓN DE AMBAS TECNOLOGIAS Como bien se ha mencionado an e io men e, la in luencia que ienen las boyas en la educción de al u a signi ican e de las olas es de muy a ene en cuen a, así como la can idad de boyas usadas po la zona que ocupan. Po lo an o, en las simulaciones se ha op ado po hace el análisis con una línea de 10 boyas delan e del ae ogene ado , pa a e como educe la pe dida. Es o se aplica á en ambas ins alaciones. Ins alación de Sídney: BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 47 Figu a 64: Reducción de pé didas del ae ogene ado de Sídney En es a igu a se e que el inclui 10 boyas delan e del ae ogene ado ha in luido en la mejo a del endimien o del ae ogene ado , man eniendo g an pa e de las pe didas egis adas po debajo de 50 kW y man eniendo e iciencias de 99,5% o más, p ác icamen e anulando la in luencia que ienen las olas en es e ae ogene ado . Al inal, hay que ene en cuen a que en el caso sin boya las pe didas e an de al ededo de 100 kW, po lo que pod ía deci se que se han educido a la mi ad. En cuan o a los casos más des a o ables, ambién se han educido a la mi ad ap oximadamen e, pasando de se pé didas de 350 kW a pe didas de al ededo de 150 kW, lo que en e iciencia pasa a se una ansición de 93% a 97%. Ins alación de Pe h: BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 48 Figu a 65: Reducción de pé didas del ae ogene ado de Pe h En el caso de la ins alación de Pe h, es a ambién ha su ido un cambio conside able. Po una pa e, ya no se man iene esa linealidad que se podía ap ecia en el caso sin boya, po lo que las pé didas se han educido has a queda se la mayo ía po debajo de 100 kW, habiendo unos pocos casos en e 100-200 kW y los casos más des a o ables de en e 500-700 kW. Es e cambio es más no able a el caso an e io , ya que ha pasado de ene pe didas po debajo de 1000 kW a pe didas po debajo de 100 kW, y educiendo los peo es casos de 2000 kW a 500 kW. En cuan o a la e iciencia, al es a conec ado con las pe didas, ambién se ha is o un aumen o conside able. En el caso sin boyas, la mayo ía de los casos se si uaban en e el 70-80% de e iciencia, con algunos casos de al ededo de 60%. Con la hib idación, sin emba go, la mayo ía de los casos han pasado a se de 94% de e iciencia, con algunos casos meno es de 90%, pe o en los casos más des a o ables. La in luencia de las boyas iene sen ido que sea mayo pa a es os casos, debido a que enían más ma gen pa a ac ua que en el caso de Sídney. BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 49 5. CONCLUSIÓN Los esul ados con i man que Aus alia, y en especial su cos a su oes e, dispone de un po encial excepcional pa a el desa ollo de ene gías ma inas híb idas. Si bien exis en desa íos écnicos asociados a la p o undidad de las aguas y a la in eg ación en ed, la complemen a iedad de la eólica o sho e y la ene gía undimo iz o ece una ía p ome edo a pa a inc emen a la es abilidad y sos enibilidad del sis ema eléc ico nacional. Además, el análisis e idencia una cla a di e encia en e los emplazamien os es udiados, lo que ambién deja en e e las di e en es posibilidades que iene Aus alia en cuan o a ecu so ene gé ico de es e ipo de ecnologías. Po ejemplo, Pe h p esen a un ecu so ene gé ico undimo iz muy supe io al de Sídney, alcanzando po encias de has a 2000 kW en condiciones in e nales, mien as que en Sídney la p oducción media apenas supe a los 160 kW y se man iene más es able. Es o posiciona a Pe h como el luga con mayo po encial pa a el desa ollo de p oyec os híb idos. Sin emba go, se ha e idenciado la in luencia de las olas sob e los ae ogene ado es lo an es se ha con i mado como un ac o de e minan e en su endimien o. En Sídney, las pé didas de po encia son ela i amen e educidas (en la mayo ía de los casos in e io es a 100 kW), man eniéndose e iciencias ce canas al 97%. En Pe h, en cambio, las olas gene an pé didas mucho más signi ica i as, llegando en los escena ios más des a o ables has a 2500 kW (ce ca del 50% de la capacidad nominal). Po o a pa e, la inco po ación de boyas como ecnología complemen a ia a los ae ogene ado es mues a bene icios cla os. Las simulaciones con líneas de boyas en ambas ubicaciones demues an que es posible educi conside ablemen e la al u a de ola inciden e y, con ello, las pé didas de po encia. En Sídney, la educción de pé didas es ce cana al 50%, mien as que en Pe h se alcanzan mejo as aún más no ables, con descensos de pé didas desde 2000 kW has a alo es en o no a 500 kW, ele ando las e iciencias medias has a ni eles supe io es al 90%. Cabe des aca que las simulaciones se han hecho u ilizando boyas muy g andes en amaño y poniendo una g an can idad de es as, lo cual hab ía que analiza desde el pun o de is a económico si ealmen e me ecía la pena la in e sión en ellos pa a educi pe didas de los ae ogene ado es. Po úl imo, hay que des aca que La in es igación ealizada pone de mani ies o la necesidad de p o undiza en es udios de escalado, impac o ambien al y cos es asociados a la implemen ación de p oyec os híb idos. El caso de Sídney apa ece como el escena io idóneo pa a el desa ollo de p o o ipos pilo o que pe mi an alida en la p ác ica los bene icios iden i icados a ni el eó ico y de simulación, debido a su abundan e ecu so ene gé ico y a la ez meno es limi aciones écnicas que puede llega a plan ea . BILBOKO INGENIARITZA ESKOLA ESCUELA DE INGENIERÍA DE BILBAO 50 6. REFERENCIAS [1] IRENA. (n.d.). Ocean ene gy. Re ie ed Sep embe 20, 2024, om h ps://www.i ena.o g/Ene gy-T ansi ion/Technology/Ocean-ene gy [2] Wa son, S. C. L., Some ield, P. J., Lemasson, A. J., Knigh s, A. M., Edwa ds-Jones, A., Nunes, J., Pascoe, C., McNeill, C. L., Sch a zbe ge , M., Thompson, M. S. A., Couce, E., Szos ek, C. L., Bax e , H., & Beaumon , N. J. (2024). The global impac o o sho e wind a ms on ecosys em se ices. 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