Almacenar energía de aerogeneradores

Con una eficiencia del 65 por ciento, esta tecnología aprovecha la energía de la brisa costera al almacenarla en esferas de concreto que se encuentran colocadas en la profundidad del mar, de modo que por medio de turbinas conviertan su potencial en electricidad.

Para mantener la esfera en el fondo del océano y conservar el equilibrio suficiente, su peso debe ser 500 veces mayor que su base.

Por Antonia Tapia.

Debido a su capacidad de generación y proximidad a zonas densamente pobladas, la intensidad de las brisas costeras podría satisfacer más de 20 por ciento de la demanda energética de Estados Unidos si integrara un sistema de almacenamiento de energía para los excedentes de generación. Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) trabajan en un sistema de esferas de concreto que permitiría almacenar energía.

Según se explica en el artículo “Ocean Renewable Energy Storage (ORES) System: Analysis of an Undersea Energy Storage Concept”, elaborado por el equipo que encabeza el ingeniero Alexander Slocum, se emplearían en aerogeneradores flotantes (FWT, por sus siglas en inglés). El sistema almacenaría energía renovable y sería un punto de anclaje para plataformas generadoras. De acuerdo con los estudios realizados, es posible colocarlo a 1 mil 500 metros de profundidad. La clave radica en el grosor de las paredes de concreto que soportan la presión hidrostática, la cual debe brindar equilibrio interno. Para lograrlo, las esferas se construirán con cantidades significativas de ceniza residual, pues, de esa manera, los sistemas brindarán almacenaje y se convertirán en arrecifes artificiales.

La investigación indica que las esferas y sus interconexiones eléctricas disponen en un patrón hexagonal en el fondo del mar con las FTW ancladas. Las patas de tensión se forman con una tubería hecha de acero que ofrece un conducto protegido para los cables; además, funcionan como tubos de ventilación y liberadoras de presión, con lo que las esferas se encuentran siempre en una atmósfera de presión que elimina el problema de corrosión en las bombas. El concepto del ORES facilita desplegar las patas de tensión de las FTW en superficies submarinas irregulares, donde sería difícil colocar anclas de succión.

Ubicación potencial
El grupo de investigadores del MIT identificó diferentes áreas con profundidad superior a 200 metros para los almacenamientos energéticos a una distancia de 125 NM de centros densamente poblados. Algunas de estas zonas son el Golfo de Maine, San Diego, Los Ángeles, San Francisco, Hawaii, el Lago Michigan, la Bahía de Vizcaya, la costa Mediterránea de España, el sur de Francia, Taiwán, Hong Kong, Japón y Turquía.

Resistencia de la estructura y requerimientos de anclaje
En el estudio realizado por el MIT se afirma que la máxima seguridad en profundidad está en función radica en la resistencia del concreto; el radio interno y externo de la esfera, la densidad del agua marina, la gravedad y algún factor de seguridad.

También se expresa que los requerimientos de lastre y anclaje se determinan con base en estimaciones de la capacidad total (en volumen) de la esfera, su base cónica, el peso total del concreto y el acero estructural utilizado. Para mantener la esfera en el fondo del océano y conservar el equilibrio suficiente el peso debe ser 500 veces mayor que su base.

Subestructura modular hemisférica
El concepto original de diseño se basó en hacer seis gajos iguales que luego se sujetarían con aros de acero para formar una especie de barril. Si bien cada sección tendría las dimensiones y el peso adecuado para maniobrar, su ensamble resultaba demasiado complejo. Fue así que se decidió el cambio a moldes hemisféricos que pueden crearse con simples moldes de dos piezas. La necesidad de tapas inferior y superior se suprimió y se dejó sólo una perforación en el borde superior para inyectar y extraer el agua. Ambas superficies tienen ensambles que las unen gracias a material epóxico inyectado en las uniones y a lo largo de la circunferencia, el cual las sella por completo. La base cónica permite que la posición de las esferas tenga una inclinación de hasta 10 grados.

Con el fin de facilitar la fabricación, las bases pueden elaborarse de placas de acero o de concreto pretensado que se colocan en el molde antes del vaciado. Dichas bases servirían para facilitar su colocación en el lecho marino; adicionalmente, proveen de superficie de anclaje para las FTW y las líneas de energía. Su cara inferior debe permanecer anclada sobre la superficie del fondo del mar, procurando evitar la transmisión de cualquier fuerza al concreto causada por las corrientes submarinas. El concreto que se utilice en la esfera sólo debe servir como lastre y peso para mantenerla en posición.

Pruebas al modelo
Con el objetivo de probar la hipótesis, los investigadores explican que se construyó un modelo de 75 centímetros de diámetro interior con ayuda de Iron Dragon Corporation y de Newstress Inc., en Estados Unidos. La pequeña esfera no tuvo mucha capacidad de almacenaje (casi una millonésima parte de la capacidad de las esferas propuestas); sin embargo, el modelo sirvió para determinar el proceso que se requerirá para su desarrollo. Al respecto, en el Golfo de Maine se colocarán prototipos de mayores dimensiones.

Las investigaciones se han realizado, principalmente, con tres tipos de concreto: concreto reforzado con fibra de acero (SFRC), concreto reforzado con fibra de vidrio (GFRC) y concreto autoconsolidado (SCC). Este último es el que mejores resultados ha demostrado.

El documento sostiene que las bombas/turbinas de estado sencillo pueden soportar hasta 700 toneladas, suelen emplearse en pozos de agua y en la industria petrolera; sin embargo, para colocarse en las esferas de almacenaje deben tener la facilidad de removerse para su posible reparación o reemplazo.

Los científicos indican que una esfera de 25 metros de diámetro interior requiere de aproximadamente 10 mil toneladas de concreto vaciado en dos hemisferios de 5 mil toneladas cada uno tras un periodo de 21 horas. Una esfera de 30 metros de diámetro duplica la cantidad tanto en material como en tiempo.

Transportación y colocación
Una vez que se han fabricado las esferas deberán conducirse a puertos donde estén los cargueros y colocarse, con ayuda de grúas portuarias, sobre barcos con capacidad de hasta 45 mil toneladas. Más tarde, las esferas se pondrán en el fondo marino por medio de cables que las descenderán hacia su ubicación específica para anclar las FTW.

Se estima que el proceso, tomando en cuenta la fabricación y colocación del sistema, tenga una duración de un mes si se considera el fraguado del concreto y el tiempo que requiere para obtener óptimas características de resistencia.

Vida útil
El ciclo de vida del sistema ORES es cuando menos de 20 años. Muchas plataformas marinas construidas en el Mar del Norte tienen 40 años de funcionamiento y, en ese sentido, cada esfera podría continuar produciendo energía incluso después de ese lapso.

Viabilidad económica
La investigación indica que la situación económica para la creación del ORES parece muy favorable. Análisis preliminares precisan que tiene un costo muy competitivo en relación con los PSH y CAES convencionales en un rango de $0.10 y $0.15 dólares por kW/h. Puede ser viable desde los 200 metros de profundidad y su costo no se incrementaría demasiado si se llega a los 700.

El costo más significativo lo implicaría el sistema de cableado y la colocación de las esferas; a pesar de esto, detalla el estudio, la fabricación y la colocación del sistema fomentará un crecimiento en la economía local y los arrecifes artificiales permitirán el crecimiento de la pesca en la región. El proyecto podrá crear casi 16 mil empleos directos e indirectos; por lo tanto, tomando en cuenta estos beneficios, se reducirían los costos. El documento concluye que todavía son necesarias algunas pruebas y adelanta que el siguiente paso será diseñar un modelo sumergible con una esfera de 3 metros de diámetro que se colocará a una profundidad de entre 30 y 40 metros.
————————————————————————————————————————————————-

Fuente: Toda la información utilizada en la elaboración de este artículo ha sido extraída de Slocum, A.H., G.E. Dundar, B.G. Hodder, J.D.C. Meredith, M.A. Sager, “Ocean Renewable Energy Storage (ORES) System: Analysis of an Undersea Energy Storage Concept”, Volume: 101, Issue: 4, Digital Object Identifier: 10.1109/JPROC.2013.2242411, Proceedings of IEEE, April 2013, Page(s): 906-924