La energía del mar
(Tercera parte)

Tercera parte:
La energía térmica de los océanos

Sergio Corp Linares
Doctor en Ciencias Técnicas.
Especialista en energías renovables,
de CUBAENERGIA.
Miembrode CUBASOLAR.
Tel. (537) 2025531-39 (ext. 353).
E-mail: sergio@cien.energia.inf.cu

 

La energía térmica de los océanos o gradiente termoceánico
puede constituir, por su esencia solar y sustentable,
una fuente importante de energía para la humanidad.

Nuestro planeta reserva en su interior una fuente de energía térmica que es la causa de que la temperatura del suelo terrestre se incremente mientras se avanza hacia su centro, y dada la particularidad de que aproximadamente cada 30 m de profundidad la temperatura de la tierra aumenta 1 °C, se le ha denominado a esta capa de profundidad, grado geotérmico de la tierra.

Los mares y los océanos son también acumuladores de energía, pero con la diferencia de que esta energía térmica, también llamada gradiente termoceánico, tiene su génesis en la diferencia de temperatura existente entre la superficie y el fondo de los océanos, debido al calentamiento que provoca la radiación solar, y, contrario a como ocurre en la masa terrestre, la transferencia de calor va desde la superficie, cuya temperatura no rebasa los 30 °C, hasta las profundidades donde alcanza sólo valores entre 0 y 7 °C.

Existen dos condiciones que deben prevalecer para lograr un mejor aprovechamiento de la energía termoceánica. La primera es que debe obtenerse la mayor diferencia de temperatura pposible entre la superficie y el fondo del mar, con lo que se logran los mayores rendimientos en la conversión de la energía térmica, y la segunda es que dichos valores deben permanecer constantes para que el suministro energético sea estacionario.

Estudios realizados exponen que ambas particularidades sólo se encuentran presentes en las zonas tropicales cercanas al Ecuador, y con profundidades superiores a los 500 m, y estas no rebasan la cantidad de 10 zonas en todo el planeta.

Carnot
y el gradiente termoceánico

La idea de convertir la energía calorífica de los océanos fue concebida hace poco más de un siglo, pero ahondando más se puede decir que los fundamentos de esta aplicación se deben a los trabajos desarrollados desde la primera década del siglo xvii en el tema de las máquinas térmicas por el célebre ingeniero francés Sadi Carnot, quien fue el primero en advertir sobre la verdadera naturaleza del calor y su transformación más eficiente en otros tipos de energía. La aplicación de los principios de Carnot es como sigue: una máquina térmica que opere con una diferencia de temperatura de 28 °C, o sea, con una temperatura de la fuente caliente de 30 °C o 303 K y una temperatura de la fuente fría de 2 °C o 275 K, tendrá un rendimiento térmico máximo o ideal, considerando que trabaja según el ciclo reversible de Carnot, y su valor se obtiene empleando la siguiente ecuación:
ht = W / Q1 = (T1 – T2) / T1 =
(303 – 275) / 303 = 0,092 = 9,2 %



Zonas favorables del océano para extraer energía térmica, fundamentalmente
las que poseen una diferencia mayor de 18 0C entre
la superficie del agua y la profundidad del océano.

Claro está que cualquier motor que trabaje en condiciones reales tiene un rendimiento inferior al calculado. Para determinar la potencia disponible que tiene un flujo de agua de mar, o exergía de dicho flujo, debe conocerse la entalpía del agua de mar para diferentes temperaturas. Como para una diversa cantidad de sustancias que existen en la naturaleza, sólo se determinan sus propiedades cuando se utilizan, no es común encontrarse tablas con dichos valores y en su lugar se calculan de forma aproximada, considerando que tienen un calor específico similar al agua desalinizada. De acuerdo con las anteriores condiciones, un flujo de 2 m³/s que se enfríe 3 °C tiene una disponibilidad de energía de 2,31 MW.

Historia y ciencia
Se reconoce al francés Jacques de Arsonval como el primero en exponer y argumentar teóricamente la posibilidad de emplear la energía térmica de los océanos y transformarla en electricidad, en el año 1880.

Con este propósito se emplean los ciclos termodinámicos de potencia, que pueden trabajar como un ciclo abierto, o cerrado. En un ciclo abierto, como su nombre expresa, la sustancia de trabajo entra en la instalación y después de producir energía sale de esta. En los ciclos cerrados la sustancia de trabajo permanece dentro de la instalación.

La instalación propuesta por Arsonval trabajaba según un ciclo cerrado y la sustancia de trabajo era el amoníaco, cuya temperatura de ebullición es de -33,4 °C, sus vapores tienen bajo peso molecular, un volumen específico elevado y buenas características de termotransferencia.
 


George Claude a bordo del buque Le Tunisie, en 1934, que funcionó como planta para modelar la conversión de la energía termoceánica.

Se les atribuye a los científicos Georges Claude y Boucherot la aplicación práctica del trabajo iniciado por Arsonval; la primera máquina (prototipo) se construyó en 1925, y se probó inicialmente usando afluentes industriales como fuente caliente, y agua del río Meuse como fuente fría. Con posterioridad se probó a orillas del océano Atlántico y finalmente la demostración en tierra se efectuó en Cuba, en la bahía de Matanzas, con una planta de 22 kW.


Planta mini-OTEC cerca de las costas de Hawai.

En el año 1981 se publicó en nuestro país, en el Boletín de energía solar, de la Academia de Ciencias de Cuba, la conferencia leída por Georges Claude el 9 de octubre de 1930, donde expresó: «Siempre he tenido más dificultades al pelear contra el hombre que contra la naturaleza». En su oratoria expuso los esfuerzos realizados hasta la culminación del trabajo: 4 000 de agua, desde los 600 m de profundidad a 13 °C, llegaban a la costa a 11 °C. Una tercera prueba definitoria corroboró la eficacia de la instalación, que entregó 20 kW para una diferencia de temperatura entre el fondo y la superficie de 15 °C.

Principios de funcionamiento de una planta OTEC de circuito abierto
y una planta OTEC de fluido intermedio.







En 1934 se instaló una unidad de 2 MW en la costa de Brasil, que consistía en una planta flotante a bordo del barco de carga Le Tunisie. La unidad fue empleada para producir hielo. Poco después se llevó a cabo un proyecto de 7 MW en Abdiján, Costa de Marfil, para abastecer una estación hidráulica. Otras propuestas de proyectos termoceánicos no culminaron por falta de financiamiento.

El ciclo abierto o de potencia
Pese a que el primer diseño respondía a un ciclo cerrado, la máquina térmica de Claude operó con agua de mar, según un ciclo abierto, y usaba tubos de 1,5 km de longitud para extraer el agua fría de mar. El principio de operación, en síntesis, es como sigue: se aspira el agua de mar, lo que provoca una reducción de la presión hasta 50 mm de mercurio, con el calor de las aguas superficiales y con el empleo de un intercambiador de calor, el agua de mar succionada ebulle a 27 °C. Los vapores resultantes realizan trabajo en una turbina y una vez que dejan dicha máquina, con la ayuda del agua fría de las profundidades, se condensan.

Dentro de las ventajas de las instalaciones que trabajan siguiendo ciclos abiertos, están la recirculación de agua rica en minerales desde las aguas más profundas y la producción de agua destilada. Para lograr esto último, la condensación debe llevarse a cabo en un condensador y no por contacto directo con agua marina fría, siendo considerable el área del condensador.

Debido a los insumos causados por el bombeo y la producción de agua destilada, la potencia neta efectiva se reduce a poco más de la mitad de la de diseño, es decir, en una instalación de 100 MW sólo entre 50 y 55 MW están disponibles para el usuario.

Por otra parte, la pequeña diferencia de presiones que se establece entre la entrada y la salida de la turbina, en el orden de las decenas de milibares, conduce al empleo de máquinas de considerables dimensiones; en consecuencia, una turbina de 15 MW puede alcanzar 14 m de diámetro y su costo puede ascender a $600 USD por cada kilowatt instalado.

El ciclo cerrado o de masa fija
Cuando se utiliza el ciclo cerrado con un fluido intermedio diferente al agua, se puede incrementar la diferencia de presiones entre la salida y la entrada de la turbina, y consecuentemente, disminuir sus dimensiones y costo. Una turbina de vapores de amoníaco de 33 MW, que tiene un diámetro de 3 m, se estima en $35 USD por cada kilowatt instalado.

En calidad de sustancia de trabajo se han propuesto freones, propano y amoníaco. Dicho fluido circula a través de un evaporador donde se transforma en vapor, de aquí a la turbina y después a través de un condensador. Ambos intercambiadores de calor emplean agua de mar para operar; el evaporador usa el agua más caliente y para lograr el efecto de condensación, obviamente el agua más fría de las profundidades. Debido a que en este tipo de ciclos los intercambiadores de calor representan 60 % del volumen total, el costo de las instalaciones es proporcional al intercambio de calor.

En las instalaciones a ciclos abiertos puede obtenerse agua destilada a expensas de usar más intercambiadores, incrementando su complejidad y costo.

Desarrollo desde 1970
La tendencia que se ha venido siguiendo en los últimos años demuestra el incremento de las plantas que trabajan sobre la base de ciclos cerrados con amoníaco, como lo evidencian las producciones de mini OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion).

En 1979, cerca de las islas Hawai se puso a funcionar una mini OTEC con potencia máxima de 53 kW, que descargaba a acumuladores. El agua se extraía a 700 m de profundidad, con tuberías de polietileno de 50 cm de diámetro interior. Posteriormente, se construyó también con fines investigativos la OTEC-1 de 1 MW y se montó en un barco cisterna. El generador de vapor tiene 63 024 tubos de titanio, de 2 cm de diámetro. Para la extracción del agua del mar se emplean tres tubos de polietileno de 1 m de diámetro y
900 m de longitud; cada uno pesa 450 t y para fijarlo al fondo se necesita un lastre de 50 t.

La masa total de la instalación es de miles de toneladas. La instalación generadora se soporta en una bancada flotante de 100 m de diámetro. Se reportan que existen plantas con potencia de 100 MW, basadas en el principio modular. Para potencias de 40 MW se necesitan tubos de 10 m de diámetro. A escala de proyecto se encuentran plantas de 400 MW, con tuberías de 30 m de diámetro, por las que trasiegan más de 1 500 m³/s de agua marina.
 


Buque con tubo, en el que Claude realizó sus experimentos.
1. Bloque de anclas.
2. Tubería de conducción de agua fría.
3. Boya ligeramente sumergida para mantener la tubería.
4. Punto de acoplamiento de los tubos.
5. Central eléctrica.
6. Salida de agua usada.
7. Punto de toma de agua templada.
8. Filtro de agua templada.
9. Equipo para preparar el hielo.

Energía termoceánica en Cuba
En Cuba se abre esta línea en el Instituto de Investigaciones Técnicas Fundamentales (ININTEF), en la década de los ochenta, cuya finalidad era utilizarlo en la refrigeración, en dos vertientes. La primera, para la obtención de agua de enfriamiento en los condensadores de las plantas termoeléctricas; y la segunda, para el enfriamiento de agua para otros fines. El trabajo consistió en el cálculo de los sistemas de tuberías y estudios de su comportamiento, en particular la degradación con la salinidad, y en estudios de mercado para detectar suministradores de dichos sistemas de tuberías.

La dificultad de la refrigeración por esta vía radica, fundamentalmente, en las grandes áreas de transferencia de calor que se deben emplear, en virtud de que la temperatura del agua de mar utilizable, producto de las pérdidas de temperatura en el proceso de extracción, es aproximadamente de 6 °C (en el fondo marino la temperatura es de 4 °C).

En la actualidad, en nuestro país no se investiga esta temática, pero se encuentra en vigilancia tecnológica. Por otra parte, en nuestros días el aprovechamiento del gradiente termoceánico para producir energía eléctrica en Cuba es desplazado por el de otras fuentes renovables menos costosas.
 

Desarrollo perspectivo
Según los especialistas de OTEC, el empleo del gradiente termoceánico es especialmente valorable en las islas. Los pronósticos arrojan que el crecimiento energético mundial para las islas de Estados Unidos, para el 2010, puede alcanzar los 10 GW. En la zona del golfo de México se pueden alcanzar entre 55 y 100 GW, mientras que en el resto de los mares y océanos, entre 20 y 60 GW.

El costo actual de la tecnología OTEC disponible es de aproximadamente $1 000 USD/ kWELEC., y se plantea que para los próximos 50 años el costo puede llegar a ser comparable al de la electricidad producida a partir de petróleo.

Breves conclusiones
La energía térmica de los océanos es una técnica que produce entusiasmo, y a la vez oposición. Los que se alinean a su favor la ven como una aplicación provechosa de una fuente abundante, y los que se oponen esgrimen el costo de sus fallas técnicas. Independientemente de las posiciones que se asuman, el hombre en su afán de descubrimiento ha desarrollado instalaciones que no muchos años atrás las consideraría como ficción del devenir de la ciencia y la técnica.