Conocimiento y tecnología de punta: el oleaje como fuente de energía




Ciencias del mar y de la Tierra

A lo largo de su historia, el ser humano ha buscado diferentes maneras de generar energía para cubrir sus requerimientos básicos de luz, calor, movimiento y fuerza.

Sólo que si comparas la demanda energética de las primeras sociedades y la actual, donde el Homo connectus nos ha llevado de la post-industrialización a la hiperconectividad en la que vivimos, la diferencia es abismal.

Desde que se gestó la revolución industrial hacia finales siglo XVII en el Reino Unido, el mundo moderno se las había arreglado utilizando combustibles fósiles, en especial petróleo, cuyo uso no ha hecho mas que aumentar desde comienzos del siglo pasado.

Sin embargo, esto cambió radicalmente en los años 70. Las crisis del petróleo de 1973 y 1979, y la preocupación por sus efectos en el medio ambiente y el cambio climático, llevaron a las naciones desarrolladas a buscar alternativas a partir de energías renovables y limpias.

Fue como si despertáramos en un mundo donde las fuentes fósiles encarecían sus precios todo el tiempo, disminuían sus reservas y provocaran contaminación de aguas y suelos, degradación de la calidad del aire en las ciudades y el calentamiento que está cambiando el clima mundial.

Simplemente había que acelerar el desarrollo de nuevas técnicas para obtener energía a partir del Sol, del viento, de los ríos, de los movimientos de mares y océanos, del calor de la Tierra; incluso de reactores nucleares y de biomasa. Es decir, de fuentes autóctonas, renovables (inagotables) y poco contaminantes.

Se crearon fondos, centros de investigación y proyectos en diferentes países para aprovechar distintas fuentes. Sólo como ejemplo, el gobierno inglés destinó entre 1976 y 1981, 13 millones de libras esterlinas para investigaciones en cuatro proyectos que pretendían aprovechar la energía proveniente del mar (Sergio Corp, La energía del mar, Cuba Energía).

Con todo y estos esfuerzos, en 2012 las energías renovables sólo integraban 19% del consumo total. De ellos, 47.3% era producido por métodos tradicionales con uso de biomasa y 52% por métodos modernos con distintas fuentes energéticas (42% considera energía por biomasa, solar y geotérmica para calentamiento, 38% es energía hidroeléctrica, 12% es energía por viento, solar y biomasa con fines de generación eléctrica, y el restante 8% son combustibles utilizados por la industria del transporte), según un reporte de la Renewable Energy Policy Network publicado en 2014.

Este reporte establece que a pesar del potencial que existe en la energía renovable y de la gran oportunidad que representa su empleo, su participación en el mercado se encuentra limitada por diversos factores: a) la gran dependencia de ciertas economías de estado en los combustibles fósiles; b) la facilidad y bajos costos que supone mantener la explotación de fuentes fósiles dada la infraestructura ya disponible; c) la limitada capacidad y altos costos de la investigación y desarrollo de tecnologías altamente competitivas que hace que los costos de producción deban ser subsidiados por los gobiernos, y d) la falta de información y conocimiento de los recursos con los que se cuenta para la explotación de fuentes de energía renovables.

En ese contexto, México expidió en 2008 la “Ley para el Aprovechamiento de Energía Renovable y el Financiamiento de la Transición Energética” con el objeto de: “...regular el aprovechamiento de fuentes de energía renovables y las tecnologías limpias para generar electricidad con fines distintos a la prestación del servicio público de energía eléctrica, así como para establecer la estrategia nacional y los instrumentos para el financiamiento de la transición energética”. En ella se define además una participación máxima de los combustibles fósiles para la generación eléctrica del país de 65% para 2024, 60% para 2035 y de 50% para 2050.

Primer paso: se forma el CEMIE-Océano

Para lograr los objetivos planteados en esta ley, en 2014 se crearon los Centros Mexicanos de Innovación en Energías Renovables (CEMIE), cuya misión es incentivar y promover su aprovechamiento. Los tres primeros estuvieron enfocados a energía geotérmica, solar y eólica, y en 2016 se aprobó la conformación de los CEMIE en biocombustibles y océano.

El CEMIE-Océano es liderado por el Instituto de Ingeniería de la UNAM. Se trata de un consorcio en el que están involucradas instituciones públicas y privadas de educación superior, centros de investigación y empresas, entre ellas el CICESE; las unidades Mérida y Saltillo del CINVESTAV; el Instituto de Ecología; las universidades autónomas de Campeche y de Baja California; escuelas, facultades e institutos de la UNAM y del Instituto Politécnico Nacional, entre otras, así como las compañías Axis Ingeniería, S.A. de C.V.; Potencia Industrial, S.A., y Exclusive High Tech, S. A. de C.V.

Como otros CEMIE, la estructura del consorcio contempla un grupo directivo, uno operativo y equipos de ejecución temáticos. Las áreas temáticas en las que habrán de trabajar los grupos académicos así formados, son:

  • Energía térmica oceánica
  • Energía por gradientes de salinidad
  • Energía por oleaje
  • Energía de corrientes y mareomotriz

Lo que se persigue en estas áreas, sus objetivos estratégicos y comunes son: a) Evaluación y diagnóstico del estado actual de la investigación en estas energías en el país y en el mundo, así como su implementación y producción; b) Desarrollar líneas de investigación que abarquen la cadena de valor en cuanto a la localización de los recursos, producción y distribución, así como de análisis de ciclo de vida de tecnologías relacionadas a la obtención de energía de cada área temática, c) Validar e implementar metodologías y tecnologías innovadoras y con potencial disruptivo a través de la cadena de valor que resulte en un costo nivelado de energía que tenga como meta el ser competitivo con fuentes fósiles de energía (especialmente para las áreas de energía del oleaje y térmica oceánica), d) Evaluar el impacto ambiental causado por la implementación de los componentes para la obtención de energía, y e) Desarrollo y aplicación de tecnologías de punta para la implementación de materiales resistentes al ambiente corrosivo salino para los componentes de generación eléctrica y transmisión de fluidos.

Energía que proviene del oleaje

El responsable técnico en el área de energía por oleaje es el Dr. Francisco Javier Ocampo Torres, investigador del Departamento de Oceanografía Física del CICESE, institución que además tiene la representación ante el grupo directivo de la región del Pacífico (las otras regiones que conforman el CEMIE-Océano son del Golfo de México, Centro y del Caribe y la Península de Yucatán).

El Dr. Ocampo indicó que el inicio de operaciones de este centro tuvo un retraso estratégico y comenzó apenas en 2017. A diferencia de otros CEMIE, el CONACYT no quiso avanzar en la firma del convenio CONACYT-UNAM si no estaban primero los convenios bilaterales de la UNAM con las otras instituciones participantes.

Señaló que en la actualidad la investigación e innovación tecnológica en energías del océano es liderado principalmente por Europa, en especial por el Reino Unido y Holanda. En estos países, dijo, se han creado importantes centros de investigación conformados por numerosas instituciones para el desarrollo de tecnologías y conocimiento científico enfocado en la explotación de las energías del océano. A este selecto grupo sumó las acciones que han desarrollado otros países como Canadá, Estados Unidos y Japón para convertir energía a partir del oleaje.

En contraste, agregó, América Latina está apenas empezando, al igual que nosotros. Destacó el caso de Chile, que hace menos de dos años creó un instituto internacional para investigación y desarrollo de la energía del mar, similar al CEMIE-Océano. Por ello, reconoció que este consorcio busca mayor cooperación con los países líderes y los Latinoamericanos, particularmente con Chile, con quien el CICESE ha mantenido diversas colaboraciones en las últimas dos décadas en el desarrollo de modelación numérica del océano, estudios de cambio climático, comparación de sistemas de corrientes mediante datos hidrográficos y simulación numérica, y con quien se firmó en noviembre pasado un convenio de colaboración específico con el Instituto de Fomento Pesquero.

Según datos del Banco Mundial, hacia finales de 2013 la producción mundial de electricidad a partir de fuentes provenientes del océano fue de 530 mega watts (MW), mayormente mareomotriz. Este organismo cita que gracias a posibles apoyos gubernamentales en Reino Unido y Francia, la capacidad de producción podría incrementarse en el corto plazo. Sin embargo, se desconoce el potencial que se podría extraer de las fuentes de energía del océano, pues la investigación y análisis de éstas es aún muy joven.

Esta fuente señala que existen cinco formas de energía del océano que pueden ser aprovechadas para la producción de electricidad: a) corrientes marinas y de mareas, b) mareas, c) oleaje, d) gradientes térmicos y e) gradientes salinos. Obviamente, estas fuentes no se encuentran distribuidas uniformemente en el mundo, por lo que cada país o región deberá evaluar la disponibilidad de cada tipo de energía y aprovechar aquellas que ofrezcan mejor relación costo-beneficio.

El valor de la energía

Un artículo publicado en 2012 en la revista Renewable Energy por K. Gunn y C. Stock Williams, valora el potencial energético del oleaje en los océanos en aproximadamente 2.1 terawatts (TW) (un terawatt equivale a un millón de millones de watts). Otra aproximación al potencial mundial estimado de producción anual de energía eléctrica procedente de las energías del mar es de 120,000 TW por hora, por año, según fuentes de la Agencia Internacional de la Energía (vía la Ocean Energy System OES) dados a conocer en 2006.

De las energías del mar, la OES destaca a la undimotriz (que se genera a partir del oleaje) como la de mayor potencial; le siguen la generada por gradiente térmico, gradiente salino, corrientes y mareomotriz.

“Sin embargo, la energía del oleaje se localiza especialmente a lo largo de las costas occidentales continentales y con mayor incidencia en latitudes altas. Por ello, países o regiones como Alaska, Sudamérica, Irlanda, España, Portugal, Sudáfrica, Australia y Nueva Zelanda poseen un mayor potencial energético por oleaje. En los países mencionados, el promedio anual es mayor a 40 kW por metro cuadrado mientras que en México el potencial del recurso es mucho menor, estimado en menor a 10 kW para la región del Golfo de México y el Caribe y 10-20 kW en la vertiente del Pacífico, especialmente en la región de Baja California”, como se menciona en la propuesta y plan general del proyecto del CEMIE-Océano.

Y abunda: “A pesar del gran interés que se tiene, en México la energía del oleaje no ha sido explotada y no se cuenta con un atlas nacional de disponibilidad y horas de producción confiable. Más aún, de los dispositivos CEO (o WEC, Wave Energy Converter) que se han desarrollado la mayoría se han quedado en la etapa conceptual y solo unos pocos han sido probados en condiciones reales”.

Por ello, Francisco Ocampo destaca lo ambicioso de los objetivos establecidos para este grupo, que abarcan desde aplicar tecnología de punta para producir materiales resistentes al oleaje y al ambiente corrosivo, que sean rígidos, ligeros, fáciles de manejar y estables durante la moción debida al oleaje, hasta trabajar en líneas de investigación que ahonden en la elaboración de prototipos adecuados para la conversión de energía del oleaje, adaptados a un contexto regional.

Tres proyectos para lograr las metas

Para lograrlos, informó que se trabajará en tres proyectos de investigación que estarán bajo su responsabilidad:

1.- Evaluación de la disponibilidad de la energía y la potencia de las olas: determinación de las condiciones medias y extremas de oleaje en la zona costera.

Con este proyecto, explicó el Dr. Ocampo, se busca identificar las costas mexicanas con mayor potencial energético, caracterizando su distribución espectral, utilizando simulaciones numéricas como observaciones para diseñar e implementar dispositivos adecuados para generar energía.

Se quiere caracterizar el clima de oleaje generado por ciclones tropicales en mares mexicanos (en el océano Pacífico, Golfo de México y Mar caribe), así como establecer tendencias ante distintos escenarios de cambio climático. Esto es, determinar el riesgo que existe para los distintos dispositivos que podrían implementarse, y los parámetros de diseño (de estructuras y dispositivos) con base al clima actual y a los escenarios de cambio climático.

Otro aspecto se refiere a caracterizar el potencial energético del oleaje para generar electricidad en las aguas someras de la costa sur de Tamaulipas y de Veracruz, tomando en cuenta que el corredor industrial de Altamira (sur de Tamaulipas) alberga 65% de a industria química y petroquímica del país; que en la refinería de Ciudad Madero producen hidrocarburos ramificados que se utilizan en la preparación de diversos tipos de combustibles, y que en aguas territoriales próximas se ubican campos petroleros que, todo en conjunto, tiene alta demanda de energía eléctrica, demanda que requiere la utilización de energías limpias.

2.- Implementación integrada y evaluación del desempeño en campo de convertidores de energía de oleaje: a) Para ondas cortas y asimétricas, b) considerando generadores eléctricos de inducción.

El Dr. Francisco Ocampo indicó que este tipo de convertidores (CEO) han sido probados en laboratorio y han demostrado eficiencias altas para oleaje corto y asimétrico. Este proyecto, agregó, incluye la caracterización del recurso en posibles sitios de instalación, la modelación numérica de los CEO con herramientas de mecánica de fluidos computacionales, la adecuación de los prototipos a escala basada en modelaciones numéricas, la evaluación de su desempeño en el campo, la instrumentación del CEO y del ambiente marino con tecnologías de monitoreo en tiempo real, así como aspectos de impacto ambiental y huella ecológica.

Para ello, buscarán caracterizar el oleaje en las costas de Quintana Roo y Yucatán con mediciones y modelación numérica. Dijo que para realizar los diseños y configuraciones utilizarán modelos CAD, mientras que el análisis de campos de corrientes y presiones, vórtices, rompimiento del oleaje, transporte de sedimentos y potencia energética disponible se hará mediante simulación numérica.

Un aspecto importante es el desarrollo de un prototipo funcional de CEO a escala real, con generación mínima de 50kW, incluyendo ingeniería básica y de detalle para su fabricación. Se buscará instrumentar estos dispositivos para monitorear su desempeño y probar distintos materiales y recubrimientos para su protección ante la corrosión, y evaluar así los costos de mantenimiento y durabilidad del sistema.

3.- Laboratorio natural para la investigación, innovación y el desarrollo tecnológico de la energía renovable oceánica, sitio especializado para pruebas de dispositivos convertidores de energía del océano.

En este proyecto se propone establecer una zona de operatividad extendida para pruebas especializadas de dispositivos convertidores de energía oceánica en la Bahía de Todos Santos, frente a Ensenada. También se espera monitorear dos sitios piloto: la Bahía de Manzanillo y el Golfo de Tehuantepec, cerca de los puertos de Manzanillo y Salina Cruz, respectivamente.

El objetivo, según explicó el Dr. Francisco Ocampo, es consolidar un laboratorio natural con instrumentación adecuada para proporcionar información relevante para pruebas de WEC en el campo, y el estudio detallado de su desempeño en condiciones naturales.

En estos sitios se instalará equipo científico para hacer mediciones detalladas del campo de oleaje, el viento y las corrientes marinas; también se realizarán, calibrarán y validarán modelos numéricos de espectro direccional del oleaje en la cuenca del Pacífico con resolución gruesa, y en los tres sitios piloto con resolución fina. Además, se implementará un sistema de comunicación y de cómputo que permita adquirir instantáneamente las variables más importantes medidas por los dispositivos instalados.

Así, agregó, el conocimiento del ambiente marino, de sus principales aspectos físicos y de su variabilidad en tiempo y espacio permitirán el establecimiento de planes para estudios de desempeño, para el diseño de CEO y para su mantenimiento y operación a mediano y largo plazo.

Respecto a la participación de personal del CICESE en los proyectos que se refieren a la energía del oleaje, Francisco Ocampo dijo que “esencialmente somos Pedro Osuna y yo, y un grupo de estudiantes del grupo de oleaje. Lo interesante es que tenemos mucha colaboración con la UABC. Este subproyecto del laboratorio natural lo estamos estableciendo en conjunto con esta universidad. Nosotros somos los líderes, pero por supuesto que la UABC tiene una participación muy importante, con un grupo donde colaboran Héctor García, Bernardo Esquivel, Reginaldo Durazo y Rafael Hernández Walls, del Instituto de Investigaciones Oceanológicas y de la Facultad de Ciencias Marinas. Y también sus estudiantes”.

Sobre las empresas que podrían estar participando en este sector, dijo que hay varias interesadas, y más a partir de la apertura que significó la reciente reforma energética. Sin embargo no hay mucha experiencia al respecto. También hay empresas que se dedican a conseguir dispositivos en el exterior y que luego simplemente los instalan aquí.

Destacó el papel de Axis, Potenza y Exclusive High Tech, pues con su participación se pudo concretar el convenio que dio forma al CEMIE-Océano. Asimismo, remarcó la colaboración que han tenido originalmente con Energy Forever, una empresa filial del grupo DINA que aun cuando no figura formalmente en el consorcio, ha mantenido una política de acercamiento con el sector académico (con el CICESE, la UABC y el Instituto de Ingeniería de la UNAM, principalmente) en el diseño, pruebas y manufactura de un dispositivo que han estado tratando de instalar en el puerto de El Sauzal, al norte de Ensenada.

De esta manera, el CEMIE-Océano tiene claro que para aprovechar de manera sustentable la energía proveniente de los mares debe establecer alianzas multidisciplinarias que le permitan:

  • Formar y especializar recursos humanos.
  • Vincular, expandir y fortalecer las relaciones entre la academia y la industria.
  • Fomentar la innovación y la transferencia de tecnología.
  • Fortalecer y expander las capacidades de investigación científica y tecnológica, y promover su uso en las empresas del sector energético.
  • Desarrollar una cartera de proyectos específicos.

De lograrlo, podría convertirse en el principal motor de desarrollo de técnicas y tecnologías de punta para la extracción, conversión y distribución de la energía del océano en nuestro país.

Palabras clave: cemie-océano, Francisco Ocampo, energía del oleaje

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