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Energía renovable

La fuerza de los vientos marinos

Científicos estudian cómo explotar el potencial eólico existente a lo largo de la costa brasileña

Parque eólico Hywind, en la costa escocesa

Øyvind Gravås

El litoral marítimo de Brasil se extiende a lo largo de 7.367 kilómetros (km) y también comprende un área marina de 3,5 millones de kilómetros cuadrados (km2). Esa inmensa región aún está incluida en el horizonte de los inversores en generación de energía renovable en el país. Otros centros de investigación brasileños están atentos al potencial energético de las olas, las mareas y el gradiente térmico oceánico –la diferencia de temperatura entre el agua de la superficie y la del fondo del océano–, así como en la posibilidad de aprovechar la energía proveniente de los vientos que soplan sobre el mar. “Estamos generando conocimiento y dominando las tecnologías. Al igual que lo que ocurre en diversos países, en el futuro Brasil también va a ir en busca de energías en áreas offshore [a lo largo de la costa]”, dice el ingeniero naval Alexandre Nicolaos Simos, del Departamento de Ingeniería Naval y Oceánica de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP).

Simos coordina un grupo de investigación que apunta al desarrollo de turbinas eólicas flotantes offshore y explica que las turbinas de este tipo predominantes en el mundo son fijas. Las mismas tienen como fundación pilares sujetos al lecho marino y están ubicadas mayormente en aguas poco profundas, junto a la costa. Ese sistema requiere la realización de obras de construcción civil en el mar y demanda embarcaciones de gran porte capaces de clavar estacas y levantar las torres, de hasta 100 metros (m) de altura, que constituyen los soportes de las turbinas eólicas, también denominadas aerogeneradores. Los costos de esa operación dependen del tipo de suelo marino.

En tanto, la instalación de turbinas flotantes es más sencilla. Se las monta en astilleros y se las remolca hasta la zona de operación. Esto también permite que se las pueda trasladar de regreso al astillero en caso de que sufran averías graves. “La logística es la misma que se emplea en el caso de las plataformas offshore de petróleo”, compara Simos.

Sin embargo, las turbinas flotantes requieren plataformas, cascos sobre los cuales serán instaladas. En la mayoría de los casos se trata de un sistema similar al de las plataformas de petróleo semisumergibles, como son las de Petrobras de la cuenca de Campos, en la costa fluminense, o las plataformas spar, los cilindros verticales comunes en la industria petrolera del golfo de México. Los cascos quedan anclados con líneas de amarre, usualmente cables de acero especial con un anclaje sujeto al fondo del mar.

“Se trata de estructuras caras que actualmente tienen costos superiores a los de las turbinas offshore fijas”, pondera Simos. Por esa razón, constituyen una opción para las aguas que superan los 50 m de profundidad y que se encuentran más alejadas de la costa. Empero, cuanto mayor es la distancia, mayor es la extensión de los cables de transmisión de la energía hasta las subestaciones de energía en tierra, algo que también incide en su costo.

El objetivo de la Poli es el desarrollo de proyectos de plataformas y sistemas de anclaje más económicos, mediante la optimización de la geometría de los cascos y el uso de materiales más livianos para el anclaje. Otra de las metas es la generación de nuevos conceptos de plataformas y amarre, que le permitan al casco desplazarse de acuerdo con las condiciones climáticas y las olas sin que ello repercuta significativamente en el rendimiento de las turbinas. “Esta es la frontera  mundial del desarrollo tecnológico en generación eólica offshore. Es importante que Brasil adquiera know-how en este tipo de tecnología”, dice Simos.

Los parques comerciales de turbinas eólicas flotantes aún son pocos. El primer parque piloto de mayor capacidad, denominado Hywind Scotland, lo inauguró en 2017 en Escocia la compañía Statoil (actualmente Equinor), y cuenta con una capacidad de 30 megavatios (MW). En 2020, EDP Renováveis, Engie y Repsol instalaron el WindFloat Atlantic, en Portugal, cuya capacidad inicial es de 25 MW. Simos apuesta a una evolución significativa en la generación eólica flotante en las próximas décadas. Una de las motivaciones es la fuerza y la constancia de los vientos offshore; otra es el reflejo de una cuestión social. “Los grandes parques eólicos pueden impactar en el paisaje, en la pesca o generar ruido, ocasionando perjuicios a las comunidades vecinas”, destaca el profesor de la Poli.

Otro de los incentivos provendrá de las compañías de explotación de petróleo offshore. Las turbinas eólicas flotantes podrían erigirse como una alternativa para reducir las emisiones de contaminantes y aumentar el abastecimiento de electricidad para las plataformas situadas en alta mar. Ya existen proyectos de investigación en desarrollo en el exterior con miras a evaluar la viabilidad técnica y económica de ese tipo de aplicación.

El informe de 2018 del Global Wind Energy Council estima que la potencia eólica offshore instalada es de 23,1 gigavatios (GW), y el 90% está en el Reino Unido, Alemania y China. La Agencia Internacional de Energías Renovables (Irena, por sus siglas en inglés) informa que tan solo en 2018 comenzaron a operarse 4,5GW y remarca que los proyectos están cada vez más alejados de la costa, llegando hasta una distancia de 90 km.

La tendencia marca un aumento en la capacidad de las turbinas offshore. Hasta el año 2000, ellas tenían 1,6 MW de potencia, en promedio. Los dispositivos instalados en 2018 entregaron una potencia de 5,5 MW, y los que se encargaron en ese año llegaban a 8,8 MW. Algunos de los principales fabricantes de turbinas, empresas tales como la española Siemens Gamesa, la danesa Vestas y la estadounidense GE, están trabajando en el desarrollo de turbinas con capacidades de 10 y 12 MW que estarán disponibles en 2022.

No hay diferencia tecnológica entre los aerogeneradores offshore y onshore (en tierra), a no ser la potencia. Tan solo recientemente aparecieron las primeras turbinas onshore en un rango de 5 MW (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 275). En el mar, las turbinas pueden ser más potentes porque no causan impacto sonoro o en el paisaje, tal como ocurre con los equipos instalados en tierra. Además, los vientos son más regulares, porque se desplazan libremente sin obstáculos, tales como cerros, montañas o infraestructuras construidas por el hombre.

En el mes de enero, la Empresa de Investigación Energética (EPE), ligada al Ministerio de Minas y Energía de Brasil, divulgó el documento intitulado “Roadmap eólica offshore Brasil”, con una estimación de 700 GW de potencial técnico para la explotación eólica marítima en el país, teniendo en cuenta áreas con buena calidad de vientos y profundidades de hasta 50 m. El volumen potencial supera por mucho la capacidad instalada en cualquier parque generador brasileño, que es de 170,5 GW, según datos brindados por la Agencia Nacional de Energía Eléctrica (Aneel). Pero no todo el potencial técnico puede utilizarse, dado que existe un conflicto de intereses con otras actividades, como son las rutas marítimas, los oleoductos, las áreas de pesca o de navegación deportiva y las reservas ambientales protegidas.

La ingeniera ambiental Amanda Jorge Vinhoza de Carvalho Silva, científica del Centro de Economía Energética y Ambiental (Cenergia) del Instituto Alberto Luiz Coimbra de Posgrado e Investigación en Ingeniería de la Universidad Federal de Río de Janeiro (Coppe-UFRJ), tuvo en cuenta esos factores en un estudio, sumados a la cercanía de los puertos, de donde zarpan los buques para la instalación y mantenimiento de las estructuras marinas, así como la logística de conexión con las subestaciones de energía en tierra. En su tesina de maestría intitulada “El potencial eólico offshore en Brasil. Localización de áreas nobles por medio de un análisis multicriterio”, que defendió el año pasado, Vinhoza detectó las 10 áreas más adecuadas para la instalación de parques generadores offshore en el país (vea la infografía). En conjunto, esas regiones suman casi 42 mil km2, que se concentran en el estado Pará y otros estados del nordeste y del sur brasileño, y ofrecen un potencial de generación de alrededor de 126 GW. “Eso equivale a nueve centrales de Itaipú, que cuenta con una capacidad de 14 GW”, compara.

Para Roberto Schaeffer, docente del Programa de Planificación Energética del Coppe, director del máster de Vinhoza, el mapeo que realizó su alumna es importante para orientar inversiones, pero él no vislumbra viabilidad a corto plazo para los proyectos en el país. “En la perspectiva trazada para la matriz eléctrica 2050 del Coppe no detectamos oportunidad económica para la generación eólica offshore en Brasil”, dice.

Schaeffer hace hincapié en que el país posee una matriz eléctrica con más de un 80% de fuentes renovables. Por lo tanto, no está presionado para sustituir fuentes fósiles, tal como ocurre actualmente en Europa y en China. Brasil también cuenta con un gran potencial eólico onshore, en un rango de 500 GW, de los cuales tan solo 15 GW se están explotando actualmente. “Las inversiones offshore solo aparecen cuando se agotan las posibilidades en tierra o si existe un gran rechazo social en relación con la instalación de turbinas en las proximidades de las comunidades. Ninguna de esas situaciones está presente hoy en día en el país”, subraya.

Un análisis puramente económico demuestra la baja competitividad de la generación eólica offshore actual. Un estudio de Amanda Vinhoza con base en datos de 2018 provistos por la Irena, indica que el costo nivelado de la energía, en un cálculo que tiene en cuenta el ciclo de vida de la usina generadora, es de 130 dólares por MWh (megavatio-hora) en promedio en el mundo para la generación eólica offshore, mientras que el costo promedio de la generación en tierra es de 60 dólares por MWh.

En Brasil, otro escollo reside en la falta de regulación de los complejos offshore. En 2018, el Senado Federal aprobó el Proyecto de Ley nº 484/ 2017, que prevé un sistema de concesiones de áreas marítimas para la generación de energía a partir de fuentes eólicas y solares. El proyecto se encuentra actualmente en trámite en la Cámara de Diputados. El Instituto Brasileño de Medio Ambiente y Recursos Naturales Renovables (Ibama) tampoco cuenta con un término modelo de referencia para una licencia ambiental de las centrales offshore. La elaboración del documento, que funcionará como marco para los estudios de impacto ambiental, comenzó en enero de este año.

Usinas de olas y mareas
La estructura para generar energía a partir de las olas del mar será puesta a prueba en el litoral del estado de Río de Janeiro

El desarrollo de un sistema de conversión de las olas del mar en electricidad constituye una prioridad para el Grupo de Energías Renovables del Océano del Laboratorio de Tecnología Submarina del Coppe-UFRJ. En 2010, un equipo de investigadores coordinado por Segen Estefen instaló en Porto do Pecém (en el estado Ceará) la primera usina de olas en América. En el proyecto, patentado por el Coppe, se utilizaba una estructura apoyada en tierra que se prolongaba sobre la escollera y una cámara hiperbárica para generar presión e impulsar la turbina generadora (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 113).

La central piloto se mantuvo activa durante cuatro años. “Comprobamos su factibilidad técnica, pero no la económica”, comenta Estefen. Ahora se está preparando una nueva tecnología, más económica, para testearla en las inmediaciones de Ilha Rasa, unos 10 kilómetros mar adentro desde la playa de Copacabana, en Río de Janeiro.

El nuevo conversor de olas estará integrado por una boya oscilante con formato cilíndrico y una extremidad cónica de 4,5 metros (m) de diámetro de desplazamiento vertical acoplada a un sistema de control de atascos. El vaivén de la boya alimenta el generador eléctrico. La estructura se apoya en cuatro columnas dispuestas sobre una base de hormigón, a una profundidad de 20 m. El prototipo constará de una potencia instalada de 80 kilovatios (kW).

Hay otras dos tecnologías que asoman en el horizonte del Coppe. Una de ellas prevé el aprovechamiento de las mareas. El sistema requiere de la construcción de una represa con compuertas y turbinas hidráulicas. El embalse se llena cuando sube la marea y se vacía cuando ella baja. El paso del agua mueve las turbinas. El estuario del río Bacanga, en el estado brasileño de Maranhão, donde ya existe una represa, constituye un sitio adecuado para la instalación de una usina mareomotriz piloto. Otra región prometedora, según el gobierno marañense, es la bahía de Turiaçu, con potencial para una usina de 3,4 gigavatios (GW).

La otra línea de investigación es la utilización de la diferencia de temperatura de las aguas del océano, en este caso, cuando la variación entre la temperatura superficial y la del fondo del mar supera los 20 ºC. Tal como lo explica Estefen, existen diversas técnicas en estudio en todo el mundo para el aprovechamiento del gradiente térmico. El sistema de conversión de la energía térmica oceánica (al cual se lo conoce como Otec) contempla el bombeo de agua desde el fondo del mar hacia un intercambiador de calor en la superficie con el propósito de generar el vapor que se usará para impulsar las turbinas. “La energía eléctrica oceánica se encuentra en fase experimental en todo el mundo, pero se cree que será significativa para la matriz energética de las próximas décadas”, dice Estefen.

Proyectos
1. Modelado y simulación numérica aplicados a la energía eólica – Parte de la propuesta HPCWE remitida al llamado a concurso H2020-FETHPC-2018-2020 (nº 19/01507-8); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Convenio Unión Europea (Horizonte 2020); Investigador responsable Bruno Souza Carmo; Inversión R$ 146.870
2. Análisis transitorio de fallas internas y protección de los generadores eólicos (nº 17/09554-0); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Renato Machado Monaro; Inversión R$ 136.266,21
3. Modelo estructural para el estudio de la dinámica de las aspas de las turbinas eólicas (nº 15/11655-3); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Alfredo Gay Neto; Inversión R$ 42.764,65

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