Proyecto
El uso de recursos energéticos renovables representa uno de los retos a los que se enfrenta la sociedad actual a escala global. En el contexto europeo, el horizonte de crecimiento en el uso de las energías renovables establece una producción del 30% de energía limpia procedente de recursos renovables para 2030, fijándose objetivos semejantes a nivel regional. En el caso de la Comunidad Autónoma de Andalucía, la Estrategia Energética de 2020 (Junta de Andalucía, 2015) plantea un 25% del consumo final bruto de energía de la región a partir de recursos renovables.
De manera específica en Andalucía, una estimación de la conversión primaria procedente de las fuentes de energía eólica y del oleaje (undimotriz) disponibles en el mar y localizadas fuera de la línea de costa (off-shore en lo sucesivo), indica que dichas fuentes podrían representar aproximadamente tres veces el consumo eléctrico de toda la comunidad autónoma. A modo de ejemplo, los estudios indican que la potencia media de energía undimotriz en profundidades indefinidas es de 4.50 KW/m, siendo algo menor a medida que nos acerquemos a la costa (2.53 KW/m a 20 metros). Y junto a ello, las expectativas aumentan cuando se plantea la explotación conjunta eólica-undimotriz off-shore.
Bajo las premisas anteriores, el proyecto presentado plantea como objetivo principal un estudio sobre cómo adaptar la explotación energética conjunta eólica-undimotriz al recurso energético disponible en la costa de Andalucía. En particular, se busca como lograr la eficiencia tecnológica sostenible en un entorno de clima marítimo medio, en el que los estados intermedios, incluso aquellos próximos a los estados de calma, puedan ser aprovechados de forma efectiva. Todo ello tiene además una repercusión directa sobre los requisitos económicos para poner en marcha una explotación de esa naturaleza, pudiendo hacerse más competitiva y más simple de instalar, conservar, reparar y, en su caso, desmantelar.
Para la consecución de los objetivos, se propone el desarrollo de un estudio teórico/experimental centrado en la adaptación de la explotación eólica y undimotriz en sus principios tecnológicos básicos, al las condiciones ambientales y climáticas del litoral de Andalucía. Teniendo en cuenta el conjunto de factores implicados en los objetivos, el equipo de trabajo está constituido por un conjunto multidisciplinar de investigadores, con amplia experiencia en los aspectos interesados.
Objetivo:
El objetivo general de este proyecto es profundizar y consolidar el conocimiento para un planteamiento integral de la adaptación de los recursos renovables directamente asociados a los flujos ambientales (undimotriz, eólica y sistemas combinados) al clima marítimo del litoral andaluz y la evaluación de los principales efectos medioambientales que las energías renovables producen en la interfaz Atmósfera - Sistema Litoral en que se sitúan.
Tareas
Tarea I. Revisión del estado del arte respecto a las energías renovables y caracterización del clima marítimo andaluz
Hitos:
(I.1.) Revisión de las metodologías y legislaciones aplicadas en la actualidad para la gestión y desarrollo de proyectos de energías renovables, con carácter internacional, estatal y regional. Basada en las revisiones previas realizadas en el marco del Proyecto PI-11/57055, centradas en la energía eólica, se actualizará la revisión existente y ampliará a la revisión de metodologías y legislaciones aplicables a otro tipo de recursos renovables, en especial el recurso undimotriz.
(I.2.) Caracterizar el conjunto de agentes atmosféricos y marítimos y las variables que definen la interfaz atmósfera – sistema litoral, así como sus balances a diferentes escalas. Este hito se centrará en la descripción de las variables que intervienen en la interacción entre el sistema tierra en la franja litoral (atmósfera-océano-costa) y los diferentes recursos renovables. Posteriormente se seleccionarán las variables principales que serán las empleadas para el análisis posterior de alteraciones a lo largo del proyecto.
(I.3.) Caracterizar las alteraciones de las componentes ambientales en la franja litoral debidas a la implementación de sistemas de energía renovable.
Tarea II. Adaptación de captadores de energía undimotriz OWC al litoral andaluz y estudio de alteraciones.
Hitos:
(II.1.) Ensayos experimentales en el Laboratorio de Dinámica de Flujos Ambientales del IISTA con diferentes modelos del sistema OWC y condiciones marítimas. Se plantean un conjunto de ensayos en modelo reducido de un OWC simplificado, en el que se representan los elementos funcionales principales. Los ensayos se realizarán en primer lugar con incidencia normal del oleaje (ensayos 2D, Canal de Oleaje), y posteriormente con incidencia oblicua para evaluación de los efectos 3D (Tanque de oleaje direccional). Se contempla la realización de ensayos con 3 alturas de ola y 3 periodos, lo que conlleva la realización de 9 estados de mar para cada configuración (2D y 3D). Considerando 10 jornadas de trabajo para el ensayo de cada configuración, más una semana de montaje y otra semana de desmontaje de cada configuración (4 en total), se obtienen 200 jornadas de ensayo en el laboratorio, lo que equivale aproximadamente a 9,5 meses de ensayos.
A través de dichos ensayos se estudiará la interacción mutua a escala local entre dispositivo y tramo costero, observándose los procesos principales derivados del funcionamiento del dispositivo bajo la acción del oleaje en condiciones de clima marítimo representativas de las condiciones de trabajo reales.
(II.2) Análisis de adaptación de sistemas OWC al litoral andaluz. Los sistemas de captación de energía del oleaje se han concebido tradicionalmente para su ubicación en zonas donde el clima marítimo es severo y por tanto la previsión de recurso energético es grande. Sin embargo, también es posible adaptar los dispositivos para su empleo en áreas de recurso energético medio. Con base en los resultados obtenidos en los ensayos, se analizará el potencial de extracción del recurso disponible en el litoral andaluz, con sus condiciones específicas de clima marítimo, en función de la ubicación de los dispositivos.
(II.3.) Análisis de las alteraciones positivas y negativas. El análisis de los datos experimentales ha de suministrar información sobre dos aspectos fundamentales dentro de la estructura de conocimiento y objetivos planteados en este proyecto. Por una parte los efectos que la presencia de un dispositivo de esta naturaleza tiene sobre el entorno, en términos de cómo la transformación de energía del oleaje contribuye a una reducción de la capacidad erosiva y de transporte asociada al flujo y con ello, a la protección de la franja litoral conforme a su evolución morfológica. Por otra parte, y derivado precisamente del efecto anterior, la presencia del dispositivo puede producir un cambio local en la evolución morfológica de zonas previamente no afectadas, y cuya repercusión sobre el rendimiento del dispositivo y su eficiencia debe ser evaluada. En definitiva se trata de establecer los principios de gestión para poder llevar a término un uso eficiente y sostenible del recurso.
Tarea III. Adaptación de dispositivos de la energía eólica al litoral andaluz y estudio de alteraciones.
Hitos:
(III.1.) Experimentación en el Túnel de Viento de Capa Límite del IISTA con diferentes modelos y configuraciones espaciales de aerogeneradores, para diferentes condiciones atmosféricas y topografías. Se considerará la configuración de (1) aerogenerador aislado, (2) dos aerogeneradores, (3) tres aerogeneradores ubicados a tresbolillo. Se realizarán los ensayos para condiciones de turbulencia adecuadas a la franja litoral, en dos ubicaciones: (1) on-shore, (2) off-shore. Mediante sistemas de anemometría (térmicos y láser) se medirán las condiciones de flujo (velocidad, intensidad de turbulencia, generación de vorticidad) tras los aerogeneradores. Se estiman necesarias 2 semanas para la calibración de la capa límite de referencia en el túnel de viento (condiciones de turbulencia iniciales). Cada una de las 6 configuraciones precisa 2 días para instalación del modelo a escala y la instrumentación necesaria, más 3 semanas de ensayo. Por tanto, la ejecución de los ensayos requiere de 110 jornadas de trabajo, aproximadamente 5 meses y medio. En total, se estima un posterior periodo de análisis de datos de aproximadamente 2 semanas de duración.
(III.2) Análisis de adaptación de sistema eólico al litoral andaluz. Con base en los resultados obtenidos en los ensayos, se analizará el potencial de extracción del recurso disponible en el litoral andaluz, con sus condiciones específicas de clima marítimo, en función de la ubicación de los dispositivos (on-shore y off-shore).
(III.3.) Análisis de las alteraciones positivas y negativas. A partir de la caracterización de las variables cinemáticas medidas en Túnel de Viento y con el uso de ecuaciones teóricas, se estimará y cuantificará la relación con variables ambientales características del medio, entre las cuales destacan: temperatura en superficie, humedad, evapotranspiración, dispersión de semillas, etc., y otros parámetros importantes desde el punto de vista de impacto ambiental, como es la cantidad de partículas en suspensión y la dispersión de ruido.
Tras estas estimaciones, se obtendrá una clasificación de las alteraciones en positivas, negativas, o indiferentes, y un rango de variación en función de las condiciones iniciales del sistema y sus condiciones climáticas, de las infraestructuras seleccionadas y su disposición espacial, a fin de optimizar el emplazamiento para obtener un balance positivo entre la producción energética y las alteraciones producidas.
Tarea IV. Estudio de un sistema combinado: OWC + turbina eólica Participantes: MCG,
Hitos:
(IV.1.) Ensayos experimentales en el Canal de Interacción Oleaje-Atmósfera con un modelo combinado OWC y turbina eólica, bajo diferentes condiciones marítimas y atmosféricas. La configuración de ensayo se decidirá una vez analizados los resultados de las tareas II y III, basada en el diseño inicial de un sistema OWC ubicado en un tubo vertical semisumergido sobre el que se ubicará un único aerogenerador. Los ensayos se realizarán bajo condiciones combinadas de oleaje + viento, a fin de analizar la influencia del aerogenerador y su interacción con el viento en el comportamiento del OWC frente a oleaje (ya analizado en la Tarea II).
Se considerarán diferentes situaciones de clima marítimo del litoral andaluz, considerando las diferencias entre las franjas Este-Oeste y las distancias a la línea de costa. En principio, se contempla ensayar a dos profundidades (cercano a la costa y en profundidades indefinidas), en dos ubicaciones (mediterránea y atlántica) y tres periodos de oleaje y dos velocidades de viento en cada ubicación. Por tanto, se espera realizar 24 ensayos sobre el modelo. Se estiman necesarias 2 semana de ensayo para todas las condiciones de oleaje+viento. Se necesitarán por tanto 48 semanas trabajo en el CIAO. Previamente se dedicará 1 meses a la calibración y puesta a punto de la instrumentación necesaria y ubicación del modelo. Se dedicará por tanto un total de 12 meses a los ensayos experimentales.
(IV.2.) Análisis de las alteraciones positivas y negativas. En este hito se analizara la influencia sobre las condiciones de oleaje a sotamar y sotavento del dispositivo de la ubicación de un aerogenerador sobre un OWC, tal que puedan derivarse conclusiones respecto a la posible influencia positiva o negativa que la ubicación del aerogenerador tenga sobre las alteraciones sobre la costa del dispositivo. Estas conclusiones se extraerán en combinación con los datos obtenidos en la Tarea II, en la que se estudiará en dispositivo OWC sin aerogenerador.
Tarea V. Análisis de implementación de dispositivos de energía undimotriz, eólica y combinada en el litoral andaluz y sus consecuencias
(V.1.) Comparación de resultados entre los diferentes tipos de energía y su posible aplicación en el litoral andaluz para el incremento del uso de energías renovables en Andalucía y el avance hacia el objetivo del 25% propuesto por la Comunidad Autónoma. A partir de los resultados de las Tareas II, III y IV se analizarán las posibilidades reales de implantación de dispositivos OWC, eólicos o combinados en los diferentes emplazamientos planteados, así como el recurso potencial obtenible para cada emplazamiento y tecnología.
(V.2.) Estudio de las consecuencias (positivas o negativas) de implementación de los dispositivos analizados. Las afecciones sobre la franja litoral pueden ser de diversa índole, afectando a diferentes partes de la misma (línea de costa, fondos marinos, dinámica atmosférica, entre otros). En esta tarea se analizará de manera conjunta los resultados obtenidos en las tareas anteriores, de tal manera que se concluya cuales serán las alteraciones positivas y negativas de los recursos analizados.
(V.3.) Análisis de indicadores. En este hito se propondrán indicadores para el seguimiento de las consecuencias o alteraciones que la implementación de dispositivos producirá sobre el medio ambiente en la franja litoral.
(V.4.) Creación de un documento de recomendaciones para la implementación y seguimiento de explotaciones de energías renovables en el litoral andaluz. Como conclusiones y resumen de los trabajos hechos en el proyecto, la creación de un documento de recomendaciones favorecerá la transferencia de los resultados del proyecto a entidades públicas y privadas interesadas en la utilización de recursos renovables no sólo como recurso energético limpio, sino también como protectores de la franja litoral.
Tarea VI. Difusión y explotación de los resultados del proyecto.
Hitos:
(VI.1.) Publicación de los resultados más relevantes, impartición de charlas y seminarios divulgativos y creación de una página web del proyecto. Durante el proyecto se creará una página web para su desarrollo y difusión, donde se incluirán los datos más relevantes del mismo (objetivos, metodología, resultados esperados) y donde se irán añadiendo los diferentes resultados, datos, informes, artículos y material de interés que se vaya produciendo. Toda la información recopilada y analizada a lo largo del proyecto se incluirá en una base de datos para su uso por los científicos y gestores interesados. Se hará especial hincapié en la correcta difusión de los datos obtenidos en los ensayos de laboratorio. Se fomentará la publicación de artículos en revistas del “Science Citation Index”, ponencias en congresos nacionales e internacionales, redacción de Tesis Doctorales y seminarios en el marco del Programa Oficial de Posgrado en Dinámica de los Flujos Biogeoquímicos y sus Aplicaciones de la Universidad de Granada. Por último, se fomentará la trasferencia de los resultados a los gestores implicados mediante la divulgación del Documento de Recomendaciones redactado como conclusión del proyecto.
Resultados
F. Huertas-Fernández, M. Clavero, M.Á Reyes-Merlo, A. Moñino. Combined Oscillating Water Column & hydrogen electrolysis for wave energy extraction and management (2021). A case study: The Port of Motril (Spain), Journal of Cleaner Production, Volume 324, 129143, DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.129143
Molina, A., Jiménez-Portaz, M, Clavero, M, Moñino, A. Influence of environmental conditions on an OWC system performance. (2021). III Congreso de Jóvenes Investigadores del Mar. Motril (Granada, España).
Moñino, A., Quirós, C., Mengíbar, F., Medina-Lopez, E., Clavero, M. Thermodynamics of the OWC chamber: Experimental turbine performance under stationary flow (2020). Renewable Energy, 155, pp. 317-329, DOI: 10.1016/j.renene.2020.03.141
