Extrayendo electricidad del mar

Se puede generar electricidad aprovechando la diferencia de temperatura entre las aguas superficiales cálidas y las frías del fondo. El océano es el mayor colector de energía solar del mundo. En un día cualquiera, Los 60 millones de kilómetros cuadrados que cubren los mares tropicales, absorben una radiación solar equivalente al contenido térmico de 250000 millones de barriles de petróleo.

A pesar de la gran abundancia actual de este producto, varios países continúan persiguiendo el objetivo de convertir una fracción de esa energía en electricidad. La técnica se conoce por las siglas inglesas OTEC, que corresponden a “conversión de la energía térmica del océano”. Si un conjunto plurinacional de instalaciones OTEC convirtiera menos de un uno por mil de la energía almacenada como calor en las aguas superficiales tropicales, generaría un mínimo de 14 millones de megawatt, más de 20 veces la capacidad productora de electricidad de los estados unidos. La misma técnica podría proporcionar agua dulce, refrigeración y aire acondicionado, así como facilitar la piscicultura.

En un sistema OTEC, la fuente de energía térmica es el agua cálida del mar, la cual genera electricidad a través de dos métodos. En uno de ellos, el agua cálida evapora un líquido operante que posee un bajo punto de ebullición. En el otro método, el agua de mar hierve en una cámara de vacío; al relajar la presión, la cámara reduce, a su vez, el punto de ebullición del agua.

En ambos casos, el vapor resultante mueve una turbina que genera electricidad. El agua fría extraída de profundidades marinas comprendidas entre 600 y 1000 metros condensa después el líquido operante, cerrando así el ciclo. Siempre y cuando exista una diferencia de unos 20° entre la capa superior cálida y la de agua fría del fondo, se puede generar en principio, cantidades útiles de energía eléctrica neta. La planta puede situarse en tierra, a poca distancia de la costa o a bordo de un barco que se desplace de un punto a otro. La electricidad puede enviarse a una red de suministro o emplearse en la planta misma, para la elaboración de metanol, hidrógeno, metales refinados, y amoniaco.

Hay dos tipos de sistemas OTEC a punto de comenzar a producir electricidad y listos para su explotación comercial:

- Uno de ellos (el que trabaja con un fluido de punto de ebullición bajo) opera en ciclo cerrado. En la operación de ciclo cerrado, el sistema contiene el líquido operante y lo recicla de modo continuo, de forma similar al líquido operante de un refrigerador; este sistema utiliza un líquido operante con un punto de ebullición bajo como el amoniaco o el freón. El líquido se bombea a través de un termopermutador (el evaporador), donde se evapora por acción del agua cálida del mar que se alimenta mediante la tubería correspondiente. El vapor hace girar una turbina conectada a un generador de electricidad. El vapor descargado de la turbina, a baja presión, pasa por un segundo termopermutador (el condensador), donde se enfría con agua bombeada de las profundidades marinas, a través de la tubería de agua fría. Las bombas devuelven el líquido operante condensado al evaporador, para repetir nuevamente el ciclo.

- El otro (el sistema de baja presión) trabaja en ciclo abierto. En la operación de ciclo abierto, el líquido operante es agua caliente de mar en constante renovación. Esta hierve violentamente en la cámara de vacío, produciendo vapor de baja densidad. Podemos representar el proceso como una generalización del fenómeno que hace que el agua hierva a temperaturas mas bajas a medida que aumenta la altitud. La cámara de vacío permite que un sistema de ciclo abierto funcione a presiones equivalentes a las que prevalecen en altitudes comprendidas entre 27 y 30 kilómetros sobre la superficie de la tierra. Estas bajas presiones crean problemas particulares, entre ellos, la tendencia de agua marina a producir gases disueltos.

Dado que tales gases no pueden condensarse, pueden inutilizar el sistema, a menos que se eliminen de modo continuo. En esta planta, el agua caliente que se convierte en vapor no llega al 0.5 %. De aquí que se requieren grandes cantidades de agua en la planta para generar vapor suficiente con que propulsar la imponente turbina de baja presión. El ciclo se completa con la condensación del vapor con agua de mar fría. Esta condensación puede llevarse a cabo directamente, mezclando el agua fría del mar con el vapor, o indirectamente, en un condensador de superficie. En tal condensador, el vapor y el refrigerante (el agua fría del mar) quedan separados físicamente por tabiques. Mediante este sistema, el vapor condensado queda exento de las impurezas del agua de mar, con lo que la operación comporta el beneficio adicional de producir agua desalinizada.

La idea de utilizar la energía térmica del océano fue propuesta, hace mas de un siglo, por el ingeniero francés Jaques Arsène d’Arsonval, quien concibió un sistema de ciclo cerrado que nunca puso a prueba. En 1926, su amigo y antiguo discípulo Georges Claude –bien conocido ya por su invención del luminoso de neón- se obsesiono con lo que sería el objetivo de su vida: hacer de OTEC una realidad. Diseño un sistema de ciclo abierto que puso a prueba en la bahía de Matanzas, al norte de Cuba, en 1930. el sistema generaba 22 kilowatt de potencia, pero consumía más en su funcionamiento. Si Claude hubiera bombeado el agua por la tubería de agua fría (de 1.6 metros de diámetro y dos kilómetros de longitud) a mayor velocidad, si hubiera empleado una turbina mayor y si hubiera explotado la mayor diferencia de temperaturas (24°) existente en Santiago, al sur de Cuba, hubiera generado probablemente hasta dos megawatt de potencia neta. Tal como fue realizado, el experimento demostró que era posible traer agua fría a la superficie desde profundidades de hasta 700 metros, con pocas pérdidas por fricción en la tubería.

La siguiente tentativa importante de Claude consistió en una planta flotante de ciclo abierto, instalada en un carguero y anclada frente a la costa de Brasil. El experimento falló, por que las olas destruyeron la tubería de agua fría mientras se estaba tendiendo. Claude finalmente murió sin haber conseguido su objetivo de generar energía eléctrica neta con un sistema de ciclo abierto.

Animado por el trabajo de Claude, el gobierno francés continuó las investigaciones sobre sistemas de ciclo abierto durante varios años. En 1956, un equipo de ese país diseño una planta de tres megawatt que se construiría en Abidjan, en la costa occidental de África, donde se da una diferencia de temperatura de 20°. Por diversas razones, entre ellas la dificultad que implicaba el tendido de la tubería de agua fría (2.5 metros de diámetro y 4 kilómetros de largo), la planta no llegó a construirse. La crisis energética de los 70 obligó a los Estados Unidos y a otros países a considerar en serio las posibilidades de OTEC. El estado de Hawai y la compañía aeronáutica Lockheed, construyeron una mini – OTEC, la primera planta OTEC con la cual producir una cantidad neta de energía eléctrica. Se trataba de un sistema de ciclo cerrado, montado en un barcaza anclada a unos dos kilómetros de Keahole Point, en la isla de Hawai. La planta funciono sin interrupción durante varios períodos de hasta diez días, durante un total de cuatro meses, generando 50 kilowatt brutos y 15 kilowatt netos de energía eléctrica.

Durante esos mismos años, el departamento de energía de EE.UU. superviso la construcción de OTEC-1, un sistema experimental instalado a bordo de un buque cisterna, procedente de la marina. El sistema fue diseñado para poner a prueba termopermutadores para sistemas de ciclo cerrado de tipo comercial, así como un manojo de tres tubos de agua fría, de 1.2 metros de diámetro cada uno, y las correspondientes bombas. La operación produjo resultados significativos, al probar la validez del diseño de los permutadotes y mostrar que una planta OTEC puede operar por “pastoreo”, desplazándose lentamente por aguas tropicales.

Algún tiempo después, la compañía Tokyo Electric Power y la empresa Toshiba construyeron una planta de ciclo cerrado en la república isleña de Nauru, en el océano pacífico. Empleando freón como líquido operante, la planta funcionó intermitentemente desde octubre de 1981 hasta septiembre de 1982, y generó 100 kilowatt brutos de energía. Todas estas plantas pilotos, se diseñaron para poner a prueba los sistemas OTEC, sin esperar que alcanzaran la relación energía bruta/energía neta que sería la típica de plantas industriales OTEC. La operación Nauru fue la última prueba práctica realizada con un sistema OTEC.

Un termopermutador clásico para un sistema de ciclo cerrado esta formado por lo que generalmente se conoce como configuración de carcasa y tubo. El agua de mar fluye por los tubos y el líquido operante se condensa o evapora alrededor de ellos, en el interior de la carcasa envolvente. Con el fin de conseguir un mayor rendimiento, un diseño mas avanzado, de placas-aleta, incorpora un sistema de placas paralelas. Estas se disponen de forma que por una de ellas pase agua de mar, por la placa contigua líquido operante y así sucesivamente, a través de todo el sistema.

Los investigadores del laboratorio Argonne han visto que la degradación de los componentes expuestos solamente al agua fría del mar no constituirá un problema, ya que, en ese ambiente, las reacciones químicas y biológicas se desarrollan lentamente. En lo que respecta al agua cálida del mar, los experimentos realizados han demostrado que la degradación de elementos expuestos puede controlarse por cloración intermitente, a razón total de una hora diaria. Los niveles de cloro a emplear están muy por debajo de las normas actuales establecidas por la oficina para la protección del medio ambiente de los Estados Unidos.

Estos resultados no se han aplicado aún en ninguna planta piloto de ciclo cerrado. Hay varias de ellas en proyecto: una americana en Hawai, otra francesa en Tahití, una holandesa en Bali y una planta británica flotante. En todos y cada uno de estos proyectos, el problema reside en su financiamiento. De acuerdo con los cálculos estadounidenses, una planta de 50 megawatt representaría una inversión de 550 millones de dólares, según fueran el emplazamiento y los componentes a emplear.

Estos costos se traducen en una inversión de 4000 a 11000 dólares por kilowatt de capacidad instalada, y de 5 a 14 centavos por kilowatt-hora suministrado. (Una central térmica alimentada por petróleo a 20 dólares por barril suministra electricidad a 5.6 centavos por kilowatt-hora.) La inversión necesaria para una planta OTEC es bastante más elevada que la de una planta generadora de vapor convencional; en la situación económica actual el capital necesario no sería fácil de conseguir.

El gobierno federal esta apoyando también la investigación de sistemas de ciclo abierto, especialmente los que emplean la técnica de cámara de vacío a baja presión, conocida por ciclo de Claude. Aunque los sistemas de ciclo abierto no han adquirido el desarrollo de los ciclos cerrados, parecen presentar como mínimo cuatro ventajas:

-el uso de agua de mar como líquido operante elimina la posibilidad de contaminar el entorno marino con productos tóxicos tales como el amoniaco y el freón.

-un sistema de ciclo abierto conlleva termopermutadores de contacto directo, más económicos y potencialmente más eficientes que los requeridos en sistemas de ciclo cerrado.

Por ello, las plantas de ciclo abierto pueden ser más rentables a la hora de convertir el calor marino en electricidad, y deberían ser además menos costosas a la hora de construir:

-los termopermutadores de contacto directo podrían fabricarse de plástico en vez de metal; serían menos sensibles a la corrosión y podrían también serlo menos al deterioro en agua marina caliente.

-un sistema con el ciclo de Claude y con condensador de superficie puede producir agua desalinizada como producto secundario.

Al mismo tiempo, los sistemas de ciclo abierto presentan sus propios problemas técnicos.

Las turbinas deben ser mucho mayores que las de sistemas de ciclo cerrado, debido a la baja densidad del vapor. Por otra parte, la operación de grandes turbinas con vapor de baja densidad requiere aún trabajo de investigación y desarrollo. el sistema de ciclo abierto debe comprender trayectos de flujo lisos para el vapor de baja densidad, por lo que la cámara de vacío deberá ser de gran tamaño. El agua marina desgasificada vertida por una planta de ciclo abierto puede alterar la composición química del agua circundante y afectara adversamente a los organismos.

Durante los últimos cinco años, diversos investigadores se han dedicado a desarrollar o mejorar los componentes cruciales del sistema de ciclo de Claude: evaporadores, condensadores y turbinas. Este trabajo ha ideado ya un sencillo evaporador de espita vertical y un condensador de contacto directo, diseñados en el instituto para la investigación solar en Golden, Colorado. Ambos tienen la ventaja de operar con muy poca pérdida de presión.

Debido a que tan solo un 0.5% del agua caliente marina que entra en la planta se convierte en vapor, la planta requiere un gran flujo de agua caliente (de dos a cuatro metros cúbicos por segundo, lo que da entre 126800 y 253600 litros por minuto). El bombeo de tal volumen de agua, significa que las pérdidas de presión deberán mantenerse al mínimo en el circuito de agua caliente, con el fin de asegurar la máxima salida neta de electricidad.

Para evitar pérdidas de presión, el evaporador de espita vertical lleva unos dispositivos de toma y salida de agua relativamente simples, lo que facilita la separación del vapor del agua marina agotada. El evaporador aumenta el calor transferido en un volumen determinado de agua en un orden de magnitud respecto al de los modelos comerciales disponibles.

Otra característica de este aparato de ciclo abierto afecta al área que proporciona la evaporación. El trabajo sobre condensadores se ha centrado en los termopermutadores de contacto directo; estos pueden resultar más rentables que los condensadores de superficie y producir mayores cantidades de energía eléctrica. La condensación por contacto directo trabaja la evaporación relámpago (característica de una operación de ciclo abierto a baja presión). Da mejores resultados cuando el agua de mar fría se distribuye uniformemente en el condensador, con tanta área de superficie líquida cuanta sea posible disponer para el vapor agotado.

Una desventaja de la condensación por contacto directo, es la de no producir agua desalinizada, para obtener esto, la planta debe mantener separado el vapor condensado y desalinizado del agua fría del mar. Este proceso obliga a instalar un condensador de superficie bastante grande.

Una planta de ciclo abierto de dos megawatt (netos) con un condensador de superficie puede producir unos 4320 m3 de agua por día. A menos que los requisitos de agua excedan la capacidad de la planta, esta empleara ambos tipos de condensador (de superficie y de contacto directo). Un segundo condensador por contacto directo se empleara después de la fase de desalinización, para concentrar los gases no condensables y reducir el tamaño del sistema de vacío para la expulsión de dicho gas, aumentando con ello la relación energía neta/energía bruta.

La turbina es quizás el componente más importante de un sistema OTEC de ciclo de Claude. Constituye así mismo, el componente menos ensayado. El requisito de grandes turbinas puede satisfacerse en plantas pequeñas, empleando las mayores turbinas de vapor de hoy en día, que miden 4.5 metros de diámetro y que se utilizan en las fases secundarias, de baja presión, de algunos sistemas generadores convencionales. No siendo probable que el número de turbinas aumente los costos en más de 10%, se puede elevar la producción eléctrica, hasta cierto punto, instalando varias turbinas en paralelo.

La otra alternativa, sería construir una turbina única de mayor diámetro, lo cual requeriría de avances significativos en dicha técnica. La característica singular de cualquier sistema OTEC es la tubería de agua fría, que abre las puertas a un basto y hasta ahora inexplorado recurso oceánico.

El agua fría no solo contribuye a generar electricidad, sino que también contiene los nutrientes necesarios para mantener las grandes cantidades de plancton y algas que sostiene la vida animal en los ecosistemas marinos. Este gran potencial continúa en suspenso ante la dificultad que entraña fabricar tuberías de más de un metro de diámetro y conseguir su tendido a 1000 m de profundidad.

Según la investigación patrocinada por el gobierno federal de EE.UU. de que una planta de ciclo abierto de 10 megawatt costaría unos 7200 dólares por kilowatt neto de energía producida, se podría decir que a este precio, una planta de ciclo abierto, sería competitiva en los mercados de las islas del Pacífico solamente si el precio del petróleo llegara a ser mucho más alto de lo que es actualmente; sin embargo, podría pensarse que en las zonas del caribe y en otras regiones donde el agua dulce es insuficiente, los ingresos de la venta de agua desalinizada harían que un sistema OTEC de ciclo abierto fuera competitivo, incluso con los precios del petróleo rebajados.

Fuente: Revista “investigación y ciencia # 162” y http://www.nrel.gov/otec/

Por: CATALINA RESTREPO DÍEZ - cvcatre@eia.edu.co