Artículo Original

http://opn.to/a/x3S1m

Potencial energético de las corrientes marinas en aguas cubanas

Energy potential of marine streams in cuban waters

Ida Mitrani-Arenal [1] [*]

Javier Cabrales-Infante [1]

 

[1] Centro de Física de la Atmósfera, Instituto de Meteorología, La Habana, Cuba.

  [*] Autor para correspondencia: Ida Mitrani Arenal. E-mail: ida.mitrani@insmet.cu

RESUMEN

Se presenta un análisis del comportamiento espacio-temporal de las corrientes marinas en aguas aledañas a Cuba, con inclusión de los cálculos de su potencial energético. El área de estudio es el territorio comprendido entre los 18 y 25° N y los 72 y 88° W. Cómo fuentes de datos se utilizaron la batimetría del Atlas GEBCO, las tablas anuales de mareas (1975-2016), los datos de estructura termohalina (1966-2000), la afectación por eventos severos de los archivos INSMET y NHC, así como la combinación de los modelos HYCOM para la simulación numérica de la circulación oceánica. Se calculó el potencial energético en aguas profundas, en canales de entrada de bahías y entre algunos cayos. En aguas someras, la bahía de Nipe es la que muestra el mayor potencial de los casos analizados. En aguas profundas, la velocidad de las corrientes oceánicas se mantiene con valores bajos durante todo el año y solamente en áreas de la corriente de lazo, a varias decenas de kilómetros de la costa noroccidental cubana, se observan velocidades mayores de 1 m/s. En aguas abiertas, el potencial energético aprovechable, en algunos meses puede ser del orden de hasta 2 kWatt/m2, mientras que en zona costera solo la Bahía de Nipe muestra un potencial considerable, del orden de 0.0076-0.49 kWatt/m2 durante el año.

Palabras clave: 

corrientes marinas; energía renovable; mitigación.

ABSTRACT

An analysis of the time-space behavior of marine streams and their energy potential in Cuban waters is presented. The study area is located between 18 - 25° N and 72 - 88° W. As data sources, the GEBCO Atlas bathymetry, the tide tables (1975-2016 period), the thermohaline structure data (1966-2000 period), the archive information about severe events and the HYCOM model for the numerical simulation of ocean circulation, were used. It is appreciated that the ocean stream speed is maintained around low values throughout the year and only in areas of the loop current, in tens of kilometers from the coastline, velocities greater than 1 m/s are observed. The available energy potential reaches up to 2 kWatt/m2 only in a few months, while in the coastal zone, it is the Nipe Bay that shows the greatest potential, of 0.0076-0.49 kWatt/m2 throughout the year.

Key words: 

Ocean energy; energy potential; marine streams.

INTRODUCCIÓN

Se presenta como necesidad para el desarrollo económico, la valoración del uso de fuentes de energía renovable, que garanticen la producción de electricidad de forma continua y sin dañar el medio ambiente. Una de estas fuentes puede ser las corrientes marinas, dadas las condiciones de insularidad del territorio cubano.

Enla obtención de energía a partir de las corrientes en océano abierto, influyen todos los factores que intervienen en la generación, velocidad y trayectoria de la circulación oceánica, principalmente las fuerzas de gravedad, de gradiente bárico, del efecto de Coriolis, de la tensión del viento, las fuerzas generadoras de marea, la fricción interna y de fondo, el relieve submarino y la sinuosidad de la línea costera (Fernández Díez 2008; Mitrani 2017), por lo que es necesario el estudio de sus características generales, previo a la selección de los puntos donde se pretende hacer las instalaciones de explotación. Teniendo en cuenta que la densidad del agua es 850 veces superior a la del aire, aunque la velocidad del fluido es más pequeña que en el caso del aire, la potencia por unidad de área barrida es mucho mayor respecto a la que se obtendría con una aeroturbina, de manera que en el presente:

  • Con vientos de 15 m/s se obtienen 2 kW/m²

  • Con corrientes marinas de 2 m/s se obtienen 4 kW/m²

Las técnicas de extracción son similares a las que se utilizan con las turbinas eólicas, empleando en este caso instalaciones submarinas. La energía extraíble es función del diámetro del rotor de la turbina y de la velocidad de las corrientes, de las cuales el valor más apropiado se estima entre 2 y 3 m/s.

MATERIALES Y MÉTODOS

Información disponible

  1. Batimetría y configuración de la línea costera a partir del Atlas GEBCO (2009), con resolución de 900 m, entre los 18 y 25° N y los 72 y 88° W (Figura 1)

  2. Tablas Anuales de Mareas de la República de Cuba, desde 1974 hasta 2017, conservadas en los archivos del INSMET.

  3. Re-análisis, conformados como entrada del modelo HYCOM, durante un año ycada seis horas, disponibles en su sitio web (HYCOM 2015), con resolución de 1/12 de grado de latitud (entre 11 y 12 km).

  4. Información acerca de eventos meteorológicos de gran severidad, disponible en los archivos del Instituto de Meteorología y del NationalHurricane Center (NHC, 2017). Después de consultar las cronologías de eventos severos del INSMET y de NHC, se consideró que el 2010es un año adecuado, debido al predominio de condiciones de buen tiempo, puesto que solo dos huracanes y dos frentes fríos afectaron las costas cubanas y con inundaciones ligeras.

  5. Descripción geográfica y del clima locales, y valores extremos de las mareas, tomadosdel Derrotero de las Costas de Cuba (ICH, 1989), Lecha et. al. (1994) y Hernández y Díaz (2003)

  6. Valoración del comportamiento de la densidad superficial en aguas cubanas, determinado por Mitrani et al. (2008). Se decidió utilizar el valor σ=23.0, de donde la densidad real del agua sería ρw=1,023 . 103 kg.m-3

Figura 1. 

Batimetría de las aguas cubanas (GEBCO 2009)

Formulaciones físico-matemáticas para caracterizar la energía de las corrientes

Las velocidades de las corrientes en mar abierto, fueron tomadas de los re-análisis HYCOM y representadas en mapas, de forma gráfica, con el editor GrADS Versión 2.0.a5.oga.5, libremente disponible.

Para calcular el recurso de energía disponible y la velocidad de las corrientes de marea, se utilizaron los métodos descritos por Garret (2005), Atwater y Lawrence (2008), Lalander (2010) y O´Rourke et al. (2010). Se utilizó la siguiente expresión para la velocidad por unidad de volumen:

vH=2⋅g⋅H  

Donde:

v

- velocidad del flujo de agua a través de la turbina (m/s)

H

- altura de la marea

g

- aceleración de gravedad

Para el potencial de la energía cinética producida por un fluido en movimiento, cuando es convertida a mecánica rotacional a través de una turbina, se aplica la ecuación:

Pc=12ρAv3  

Donde:

Pc

- potencia de la corriente marina (Watt)

A

- área transversal ocupada por el flujo (m2).

ρ

- densidad del agua de mar (kg/m3)

Para utilizar con comodidad los resultados obtenidos, el potencial energético ideal se calculó para A= 1m2, de modo que cualquiera sea la técnica que se pretenda aplicar, solo hay que multiplicar este valor elemental por el área verdadera de la sección transversal de la turbina que se pretende utilizar.

Se presenta como limitación que no es posible convertir en electricidad toda la alimentación de energía de la corriente, debido a las pérdidas por fricción y a la acción de la ley de Betz en las turbinas (DWIA 2003), que indica que la energía aprovechable es menor que los 2/3 de la energía disponible. Estas limitaciones se contabilizan mediante el coeficiente de poder de potencia de la turbina. Otras limitaciones, derivadas de la fricción, la turbulencia extra y otras propiedades, generadas por los propios dispositivos, se rectifican mediante otros coeficientes. La potencia para un sistema ya integrado turbina-generador viene dada por las ecuaciones siguientes:

PT−ideal=12CPρAv3  

Pev,A=12CpηGηMηTρATv3  

Donde:

PT

-ideal - potencia ideal de la turbina (W)

Pe

- potencia eléctrica de salida (W)

Cp

- coeficiente de potencia = 16/27=0.593 para una turbina ideal (Ley de Betz)

g

- aceleración de gravedad (m/s2)

AT

- área efectiva del paso de turbina (m2)

ηT

- eficiencia de conversión de la turbina

ηM

- eficiencia de conversión del acople mecánico turbina-generador

ηG

- eficiencia de conversión del generador

Para el análisis del potencial de las mareas, se consultaron varias fuentes bibliográficas, como son: el Derrotero de las Costas de Cuba (ICH, 1989), el informe de Vega et al. (2008), las tablas de marea desde 1974 hasta 2017 y la descripción de las mareas que aparece en Mitrani et al. (2008), proveniente de diversos textos escritos por especialistas de la Empresa GEOCUBA, antes Instituto Cubano de Hidrografía (ICH, 1989) y del Instituto de Oceanología (Hernández y Díaz, 2010).

En el caso de los convertidores de energía de marea, se pueden tener diferentes modos de funcionamiento y, por tanto, la potencia de salida varía según el caso. Aunque la potencia aprovechable no puede exceder la impuesta por el límite de Betz en el coeficiente de potencia, esto se puede mitigar en cierta medida mediante la colocación de una turbina en una mortaja o conducto (Lalander, 2010). Esto funciona, en esencia, forzando a que el agua que no habría fluido a través de la turbina, pase a través del disco rotor. En estas situaciones, en lugar de la turbina es el área frontal del conducto, la que se utiliza en el cálculo del coeficiente de potencia.

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

P=0.22(ΔHmaxQmax)  

Donde:

ΔH max

- Máxima diferencia entre los valores del nivel del mar (m)

Qmax=vAT

- Máximo gasto (m3/s)

La velocidad de la corriente de marea en el canal de entrada de una bahía, que sería la máxima posible si se excluye la fricción de fondo, se calculó por la fórmula recomendada por SPM (1984) y CEM (2006). En la velocidad de la corriente de marea influyen el área de la cuenca, las dimensiones del canal de acceso, el valor de la marea, las diferencias de horario en lugares relativamente cercanos y los factores astronómicos. En una cuenca de área (A), con un canal de acceso de sección transversal (S) y con un valor de marea de (2R), la velocidad de la corriente en la mitad de su período (t), o sea, en el momento (T = t/2).

Vmax¯=4πAR3St≈4ARSt  

En las áreas laterales de los canales, si no se cuenta con mediciones, estos mismos textos recomiendan:

V=89πAR3St≈0.93Vmax  

Las turbinas suelen sumergirse varias decenas de metros, de manera que el oleaje y los eventos meteorológicos severos no los afecten mucho y además, no se estropee el paisaje local. Lalander (2010) expresa que se debe determinar la velocidad de la corriente de marea en la profundidad, por la siguiente ley exponencial:

Vz=V0ZH1α  

Donde:

Vo

- es la velocidad en superficie

Z

- es la coordenada vertical

H

- es la profundidad total

α es el coeficiente numérico que oscila entre 6 y 10, en dependencia de la fricción de fondo. En el presente texto se utiliza igual a 6.

Limitaciones

  1. La resolución de los datos de batimetría y línea costera es muy gruesa (de 900 m), por lo que será necesario interpolar estos datos.

  2. No se cuenta con datos reales de alta resolución, acerca de las velocidades de las corrientes marinas. Con los re-análisis, se logran aproximaciones confiables para pasos de malla de 11-12 km, puesto que se incluyen datos in situ, registrados principalmente por boyas y satélites (HYCOM 2017).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Seaprecia que la velocidad de las corrientes oceánicas se mantiene con valores bajos durante todo el año y solamente en la región nor-occidental al oeste del meridiano 80° W, se observan en algunos meses velocidades mayores de 0.4 m/s. En el Paso de los Vientos, que es otra región donde las corrientes pudieran ser de alguna intensidad, se observó que solo de septiembre a octubre las velocidades sobrepasan los 0.4 m/s, con un posible potencial energético ideal de 19.41 Watt para una turbina de área A=1 m2. En la Figura 2a,b, se observa la circulación de los meses de velocidad máxima, que son julio y octubre.