La energía de las olas: del Pelamis al Penguin

Entrevista Cope + Galicia del 26/10/21 a las 1310h:

Un inconveniente existente en las conocidas como “energías limpias”, es su carácter impredecible, lo que dificulta a las empresas energéticas la posible tarea de generación eléctrica para poder satisfacer la demanda existente con efectividad. Dentro de ellas, la energía de las olas, o energía undimotriz, aprovecha el movimiento de las olas producido por la acción del viento reinante a cientos o miles de kilómetros, el cuál origina una transferencia de energía sobre la superficie del océano, en forma de energía cinética, que se puede aprovechar utilizando mecanismos armónicos que absorben el movimiento de las olas.

En definitiva, la energía undimotriz consiste en el aprovechamiento de la energía cinética y potencial del oleaje para la producción de electricidad, pero con el inconveniente de que las olas son menos predecibles que las corrientes, por ejemplo, cuyo grado de predictibilidad es mucho mayor y cuyo potencial está concentrado en localizaciones mundiales donde los flujos discurren por topografías angostas, en las que el estrechamiento del canal de paso por el que el circula el agua provoca una aceleración que supone un aumento de la velocidad de la corriente.

En cualquier caso, la energía de las olas puede llegar a ser un importante aporte adicional al abastecimiento energético mediante fuentes renovables, incluso compatible con los parques eólicos marinos, que tendrá su mayor rendimiento cuando se obtenga mediante dispositivos flotantes alejados de la costa, precisamente donde las olas tienen más energía susceptible de poder ser aprovechada. Dos ejemplos de estos prototipos son el “pelamis” y el “penguin”.

Introducción:

El término yuxtapuesto utilizado para referirnos a la energía obtenida del movimiento de las olas, undimotriz, está formado a partir de las palabras “unda”, que en latín significa ola, y “motriz”, generador de movimiento. Este término, existente en algunos diccionarios de ingeniería eléctrica, curiosamente no está reconocida por la RAE, a pesar de su habitual uso en la última década.

La generación de energía a partir de las olas es una tecnología comercial poco empleada en comparación con otras fuentes de energía renovable como pueden ser la energía eólica, la hidroeléctrica o la solar, ya que la instalación de dispositivos en la mar supone de forma general un reto mucho mayor a su establecimiento en tierra firme, tanto por dificultad técnica ante un medio hostil como es el mar, como por costes. En el caso de las olas, y a diferencia de en mareas y corrientes, la fuerza de las mismas dependerá de la velocidad del viento, la superficie del agua, la extensión afectada, y de la profundidad. Su altura estará determinada por la velocidad del viento y por la duración del tiempo que sople, por la distancia afectada por el viento, y por la profundidad y la topografía del fondo marino.

La potencialidad de la energía de las olas, así como de la procedente del mar en general, radica en su abundancia. En el caso de la ola, una de sus principales características descansa en su capacidad para poder desplazarse a grandes distancias sin apenas perder energía, y concentrándose además ésta, cerca de las costas. Obviamente, la energía contenida en las olas varía de un punto a otro, pero, en general, cuanto más alejadas del ecuador estén, más energía contienen. Además, la importancia de la energía undimotriz se debe a que supera en densidad energética a la energía eólica y solar, y se estima, según estudios, que su potencia oscila entre 30 y 100 kW por cada metro de frente de ola.

El primer convertidor de energía undimotriz se patentó en Francia en 1799, pero, sin embargo, el verdadero desarrollo de esta tecnología no comenzó hasta el último cuarto del siglo XX. Noruega y Escocia son pioneras y líderes en la tecnología undimotriz en la actualidad, aunque España y Portugal están estudiando mucho esta técnica. Noruega instaló en 1985 una planta en su costa cerca de Bergen, mientras que Escocia lleva también años experimentado con estos sistemas en la isla de Islay, e incluso aportando nuevos desarrollos, como una especie de conos que al oscilar con las olas impulsan un generador. En Portugal en 2009 se inauguró al norte de Oporto, frente a la localidad norteña de Póvoa de Varzim, el primer parque undimotriz comercial del mundo, Okeanós. En este parque se instalaron tres máquinas Pelamis con capacidad de 2,25 MW.

Como se puede constatar, el avance de la energía undimotriz ha sido lento. Algunos autores destacan la aparición del japonés Yoshio Masuda, a quien consideran el padre de la energía de las olas. Masuda fue un general de la marina japonesa al que se le atribuyen algunos de los primeros dispositivos creados con la finalidad de aprovechar la energía de las ondas marinas.

En 1940 Masuda desarrolló una boya de navegación autosuficiente que aprovechando el movimiento de las olas generaba suficiente electricidad para encender una luz de aviso que permitía el avistamiento de la boya. Fue uno de los primeros dispositivos perteneciente al grupo de columna de agua oscilante. Se debe destacar que en España descansa unos de los mayores potenciales del mundo en lo referente a la energía de las olas. En concreto, Galicia, Asturias y la costa cantábrica, son los mejores emplazamientos de España para la captación de la energía undimotriz.

Tecnologías existentes en energía de olas:

Si atendemos a la distancia de la costa en la que se sitúan, existen tres tipos principales de equipos de energía undimotriz, clasificados en dispositivos en costa, dispositivos cerca de la costa y dispositivos fuera de la costa. Además, existen un gran número de dispositivos pensados para el aprovechamiento de este tipo de energía, pero a pesar de que existen más de mil patentes mundiales de generadores energéticos de olas (GEO), los conceptos en los que se basan se pueden clasificar en una serie de tipos básicos, dependiendo de cómo reciben el oleaje o del principio que utilizan para la captación de la energía.

Algunos de ellos aprovechan de manera directa la oscilación (como las columnas oscilantes, las boyas de absorción o los convertidores) a través de diferentes mecanismos que aprovechan el movimiento oscilante para generar electricidad. Otros, los atenuadores, usan los movimientos de flexión de los dispositivos para generar energía a través de bombas hidráulicas. En los dispositivos de desborde el agua del mar se eleva y genera energía potencial por la diferencia de altura. Finalmente, los conversores, que pueden ser flotantes o sumergidos, aprovechan las diferencias de presión entre el agua y fluidos para generar la electricidad. Atendiendo a una clasificación dependiente de la dirección en la que los dispositivos reciben el oleaje, podríamos dividirlos en atenuadores, terminadores y extractores puntuales.

En el caso de los atenuadores, nos encontramos a aquellos que se encuentran posicionados en paralelo con la dirección de avance del oleaje. Se podría decir que “cabalgan” sobre las olas generando la energía eléctrica que se transportará mediante cables. Generalmente son estructuras de gran longitud y su misión consiste en amortiguar (atenuar) las olas, aprovechando de este modo la energía mecánica de éstas. Dentro de este tipo encontramos el dispositivo “pelamis (serpiente)”, formado por diferentes secciones cilíndricas que poseen movimiento relativo entre ellas, movimiento que es utilizado para generar energía, bombeando aceite a presión, mediante unos brazos hidráulicos que obtienen energía del movimiento relativo entre secciones.

En el segundo caso, el de los finalizadores o terminadores, el oleaje no sigue su curso natural, sino que “rompe” contra el dispositivo, finalizando o terminando de esta manera su avance, y de ahí viene su nombre. Suelen ser grandes estructuras rígidas y solidas de aprovechamiento de energía “olamotriz”, que se sitúan perpendicularmente a la dirección de avance del oleaje, por lo que son golpeadas con violencia por las olas.

En último caso nos encontramos con los extractores puntuales. Estos dispositivos poseen unas dimensiones en el plano horizontal significativamente menores a la longitud de onda de las olas que inciden sobre ellos, lo que hace que no tenga excesiva importancia la dirección en la cual reciben las olas. Sus reducidas dimensiones en el plano horizontal dotan a estos dispositivos de una gran versatilidad ya que permiten realizar una extracción de energía eléctrica de diferentes modos, utilizando generadores lineales, hidráulicos, o transformando el movimiento oscilatorio del que son dotados por las olas en movimiento rotatorio.

Finalmente podríamos realizar una tercera clasificación, y seguramente la más interesante, basada en el modo de funcionamiento del dispositivo. De esta forma nos encontramos diferentes sistemas, entre los que podríamos destacar dos dispositivos que funcionan bajo los principios siguientes: la columna de agua oscilante, y los dispositivos de desbordamiento.

El sistema de columna oscilante de agua (siglas OWC en inglés) se basa en la oscilación del agua dentro de una cámara semisumergida y abierta por debajo del nivel del mar, de manera que provoca un cambio de presión del aire que se encuentra por encima del agua. Su funcionamiento se resume en la entrada de unas olas en el sistema, las cuales empujan las cámaras de aire comprimido, y mueven unas turbinas, las cuales generan la electricidad. La turbina aprovecha el movimiento producido por la ola cuando avanza y retrocede, y el generador al que está acoplada alimenta la energía a la red.

De esta manera se aprovecha la energía cinética del agua de mar en su movimiento oscilante debido al oleaje, subiendo y bajando por el pozo, trasformando dicha energía cinética en energía mecánica, la cual se trasfiere a través del eje de la turbina para generar electricidad. Bajo este principio funciona en España la Central de Mutriku (Guipúzcoa), la cual lleva diez años en funcionamiento.

Esta planta, ubicada en el dique de protección del puerto de dicha localidad, fue inaugurada en 2011 y está constituida por 16 turbinas, cada una con una potencia de 296 kW, con una capacidad de producción anual de energía de 970 MWh. En su día fue la primera planta marina comercial conectada a red en funcionamiento en Europa y la única en el mundo que genera energía de forma constante y continuada, suficiente para abastecer aproximadamente a cien viviendas al año. Además, la central sirve como laboratorio de pruebas.

Atendiendo a la última clasificación efectuada, los dispositivos de desbordamiento pueden ser estructuras fijas o flotantes cuyos lados cónicos se colocan perpendiculares a las olas, para que después las olas fluyan por los lados hasta un pequeño depósito sobre el nivel del mar. La energía potencial del agua se convierte en electricidad al permitir que fluya a través de un generador de turbina y regrese al mar.

Ventajas e inconvenientes de la energía de las olas:

Como principal ventaja se podría destacar que se trata de una energía muy extendida, existente en muchísimas localizaciones. Su capacidad de predicción, a pesar de ser más baja que en las corrientes, es mayor que en la eólica y, además, existe una buena correlación entre el recurso existente y la demanda (aproximadamente el 40% de la población mundial vive a menos de 90 km de la costa).

Como contrapartida presenta que se produce con condiciones severas del mar, lo que supone altos costes de instalación y mantenimiento. Por ello, a pesar de llevar muchos años en estudio, todavía se puede considerar que está en fase de desarrollo a nivel mundial, con diversas tecnologías existentes, pero sin que ninguna se haya impuesto al resto, debido principalmente a las irregularidades en amplitud, fase y dirección de las olas.

Respecto a su impacto en el medio ambiente, a pesar de ser una fuente de energía renovable, con su ventaja respecto a la reducción de la contaminación, podría tener otros efectos negativos que se deben estudiar. Tal como ocurre con las turbinas eólicas, los dispositivos de energía undimotriz podrían interactuar con el medio marino, obstaculizando por ejemplo la migración de las aves.

Capturar parte de la energía de las olas podría conducir a una menor mezcla de nutrientes, e impactar a las especies que vivan en una determinada zona. Se debe tener en cuenta que las zonas ideales para los emplazamientos de los convertidores de olas, generalmente también lo serán para la pesca, y para que las aves y los mamíferos marinos busquen peces, por lo que el cableado de los generadores podría impactar en el medio ambiente, tanto por la instalación en sí, como por la acústica que genere. En cualquier caso, parece que esta energía es muy respetuosa con la fauna y flora marina, en comparación con la eólica.

El caso de Galicia:

En Galicia, la eólica marina sigue siendo tema de debate, aunque no tanto el de las olas, situado un escalón por debajo que la eólica. Para intentar llegar a puntos de encuentro con el sector pesquero, a priori el gran perjudicado, la Xunta creó el Observatorio da Eólica Mariña. Recientemente, las consellerías del Mar y de Economía plantearon a este organismo la posibilidad de desarrollar una zona experimental para poder investigar la tecnología y su interacción con la actividad pesquera.

No se debe olvidar que la fuerza del oleaje está aumentando de manera general un 0,4 % cada año desde 1948, y Galicia no escapa de esta estadística, ya que es una comunidad en donde existen olas del nordeste que tienen un período de unos seis segundos, del norte de diez, y del noroeste, las que llegan con los grandes temporales, de hasta veinte segundos. La relación entre la altura de las olas y estos períodos es la que define precisamente la potencia de las olas.

Mientras tanto, el Ministerio para la Transición Ecológica vuelve a incidir en esta posibilidad en su hoja de ruta, en un borrador que vio la luz en este verano de 2021. El documento indica que Galicia presenta los valores de potencial de energía de las olas más elevados de España, con potencias medias de entre 40 y 45 kW/m, y que el mar Cantábrico es la segunda zona en cuanto a recurso con alrededor de 30 kW/m, que van disminuyendo de oeste a este. Este documento destaca que las tecnologías de energías de las olas presentan un amplio abanico de dispositivos probados, pero sin que todavía la industria se haya decidido por un diseño común.

Hace diez años el “IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio)” y el “Instituto de Hidráulica Ambiental de la Universidad de Cantabria” firmaban un convenio para la evaluación del potencial de energía de las olas en España para la elaboración del plan de energías renovables 2011-2020. En ese documento, en el que se resumían los trabajos, metodologías y resultados obtenidos de caracterización de la energía undimotriz a lo largo del litoral español, ya se presentaban unos valores de potencial de energía en los que destacaba Galicia, con los más elevados, con potencias medias en profundidades indefinidas entre 40-45 kW/m. El Mar Cantábrico era en segundo lugar, la siguiente zona del litoral en cuanto a recurso (alrededor de 30 kW/m disminuyendo de oeste a este).

El “INEGA (Instituto Enerxético de Galicia)” obtuvo en 2019 derecho a la ocupación de un dominio marítimo terrestre en punta Langosteira, cerca de Finisterra y fuera de las aguas de las nuevas instalaciones portuarias, como zona experimental de aprovechamiento de las energías marinas. Durante dos años, dentro del proyecto de investigación LifeDemo Wave, ha estado instalada una boya para generar electricidad, de 17,5 metros de altura, llamada “Gelula”.

Un caso particular, el “penguin”:

El “penguin” es un dispositivo flotante dotado de un elemento captador de energía de las olas de gran escala, semejante a un barco con forma asimétrica (diferente en proa, popa, babor y estribor), lo que le permite aprovechar al máximo posible el movimiento de las olas. En su interior, un dispositivo giratorio se activa con el movimiento continuo del mar, que a su vez es conectado a un generador, para producir energía eléctrica.

Este verano se instaló en Armintza (Vizcaya) un dispositivo de gran escala de este tipo, único en el mundo. Cabe destacar que desde 2019 la planta de Mutriku, antes citada, está integrada en el BiMEP (Biscay Marine Energy Platform), el centro de ensayos de energías marinas de Euskadi, que cuenta también con instalaciones en mar abierto para la prueba de dispositivos flotantes frente a la costa de Armintza. Se espera que estas pruebas sean el paso previo a una futura fase comercial.

Desde el año 2012, la empresa Wello Oy desplegó el prototipo original del “penguin” en Orkney, Escocia, durante varios años, alcanzando en pruebas grandes expectativas. Estuvo sometido a olas de más de 18 metros de altura, y a continuación la empresa transfirió el aprendizaje para actualizar el dispositivo, apareciendo el nuevo, ahora ubicado en Armintza. Este prototipo consiste en un casco flotante de apariencia exterior muy similar a la de un barco, pero con un “diseño optimizado” para una mayor captura de energía de las olas, que contiene en su interior un dispositivo giratorio. Las olas provocan un movimiento circular dentro del casco que, al estar conectado a un generador, produce electricidad.

Un buen captador de olas. El propio buque:

Con el objetivo de reducir el consumo de los buques y, por tanto, los costes medioambientales y económicos asociados al mismo, se podría aprovechar la energía contenida en la mar de forma sencilla para que pudiera ser consumida por los sistemas de a bordo, mejorando así la eficiencia total del buque. Porque, ¿existe mejor artefacto marino, flotante y consumidor de energía que un buque? En este sentido ya se han realizado varios estudios.

En el 55º Congreso de Ingeniería Naval e Industria Marítima celebrado en octubre de 2016 en Barcelona varios autores presentaban un trabajo en el que aparecía un sistema innovador para la generación de energía a bordo, que apuntaba al balance de un buque como medio de transformación de la energía undimotriz en energía hidráulica contenida en sus tanques estabilizadores. El sistema contaba con una turbina hidráulica, una serie de válvulas automáticas y un sistema de control que mejoraba la eficiencia de la turbina y aseguraba el correcto comportamiento dinámico del buque en la mar.

Al año siguiente el ferrolano Gerardo García, presentaba el trabajo “Método y sistema de generación de energía eléctrica en un Barco” para cubrir un vacío en la literatura técnica mediante el aprovechamiento de las proas del barco en su obra viva para la recuperación de energía “undimotriz – mareomotriz” obtenida en ciertas maniobras de navegación al reducir velocidad, algo similar al sistema Kers de los automóviles. La inercia del buque proporciona energía mecánica suficiente para producir electricidad en ciertas condiciones y distribuirla posteriormente en distintos servicios a bordo. Gerardo finalmente patentó este sistema y en la actualidad está elaborando una tesis doctoral para complementarlo.

Conclusiones:

En el año 2021 aún no se puede considerar que las fuentes de obtención de energía undimotriz posean tecnologías maduras. Todavía es una energía en fase de desarrollo, carente de un diseño óptimo, en la que ninguna tecnología se impone sobre el resto, debido principalmente a las irregularidades en amplitud, fase y dirección de las olas.  Se han realizado muchos experimentos, prototipos y proyectos de investigación, y puntualmente algunos dispositivos comerciales, pero de ellos emana la existencia actual de muchos desafíos técnicos que deben resolverse antes de que se pueda disponer de dispositivos de generación eléctrica fiables y efectivos, tanto en mantenimiento como en coste.

En cualquier caso, no se debe olvidar que la energía de las olas es una energía muy valiosa. Su concentración es cinco veces mayor que la de la energía eólica, y de diez a treinta veces superior a la de la energía solar. Por ello el potencial existente en España, tanto en la costa Cantábrica, como en Galicia y Asturias en particular, de los mayores del mundo, debe ser un recurso para poder explotar en un futuro cercano. A este respecto, este verano de 2021, el “MITECO (Ministerio para la Transición ecológica y el Reto demográfico)” sacó a la luz información pública sobre el borrador de la propuesta de “Hoja de Ruta para el desarrollo de la Eólica Marina y las Energías del Mar” que podría convertir a España en la referencia europea para el desarrollo tecnológico y el I+D de las energías renovables en el entorno marino.

Con esta hoja de ruta busca reforzar el liderazgo industrial español en la cadena de valor de estas energías, aprovechando las sinergias con sectores punteros, planteando el objetivo de alcanzar hasta 3 GW de eólica flotante en 2030, un 40% de la meta europea de disponer de 7 GW al final de la década. En lo referente a la energía de las olas y mareas se espera obtener hasta 60 MW en fase pre-comercial.

La Hoja de Ruta aspira a instalar de 40 a 60 MW para las energías de mareas y olas en 2030, a partir de la sólida base de los centros de investigación nacionales, como Punta Langosteira, donde opera un consorcio internacional; el Gran Tanque de Ingeniería Marítima de Cantabria; las Infraestructuras Integradas Costeras para Experimentación y Simulación (iCIEM) del Laboratorio de Ingeniería Marítima de la Universidad Politécnica de Cataluña; el Centro de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo (CEHIPAR), dependiente del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA); o el Centro de Estudios de Puertos y Costas del CEDEX.

Se debe destacar que España es el país europeo con más instalaciones de I+D para eólica flotante y las otras energías del mar, tales como como la Plataforma Oceánica de Canarias (PLOCAN) y la Plataforma de Energía Marina de Vizcaya (BiMEP) o la ya citada zona experimental de aprovechamiento de energías marinas de Punta Langosteira (La Coruña), el segundo banco de pruebas del mundo para la energía de las olas.

Según la “Hoja de Ruta” del MITECO de este verano, Galicia es la comunidad autónoma de España con mayor potencial para generar electricidad con las olas. El borrador del documento destaca que Galicia y Asturias son las comunidades que disponen de mejores recursos para la obtención de energía a partir de las olas, al tiempo que sigue apostando por otros territorios, como el País Vasco, donde ya existen plantas de producción eléctrica a escala comercial.

Recientemente, a finales de septiembre de este año, la unión de Cantabria, Asturias y Galicia ha formalizado la creación del “Superclúster Atlantic Wind (SAW)”, una alianza para impulsar la energía marina, principalmente eólica, en el mar Cantábrico. Este nuevo clúster del sector marítimo está formado por 112 empresas.