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
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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. |
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George Claude a bordo del buque Le Tunisie, en 1934, que funcionó
como planta para modelar la conversión de la energía
termoceánica.
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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 m³ 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. |
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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.
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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. |
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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.
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