Energía Renovable Marítima: Desbloqueando el Poder del Océano para un Futuro Limpio

El Potencial No Aprovechado de la Energía Oceánica

Dado que la Tierra está cubierta en un 70 % por océanos y mares, no es sorprendente que muchos de los recursos del planeta se encuentren en alta mar. Sin embargo, este es un entorno inherentemente más difícil para una criatura terrestre como los humanos. Como resultado, la energía oceánica hasta ahora se ha aprovechado poco, estando mayormente limitada a la explotación de petróleo y gas en alta mar y a los parques eólicos offshore.

Pero existe mucho más potencial para la generación de energía en el mar en otras formas. Desde las áreas de superficie casi ilimitadas hasta las mareas, olas y el diferencial de altura y temperatura, científicos de todo el mundo están trabajando para encontrar nuevas formas de aprovechar la energía renovable de las interminables olas.

Y esto podría ser una fuente masiva de nueva energía renovable, con 2050 potencialmente alcanzando 352 GW de capacidad instalada, o cerca del parque nuclear mundial actual (399 GW).

Fuente: IRENA

Por Qué el Desarrollo de la Energía Oceánica Ha Sido Lento

Puede sorprenderte que la producción de energía en el océano haya comenzado solo hace unas décadas, mientras que otras formas de energía, desde la hidroeléctrica hasta la producción de combustibles fósiles en tierra, tienen siglos de historia.

Una razón clave es que, obviamente, es más fácil construir en tierra. Los mares y océanos, por el contrario, requieren que cualquier infraestructura flote y/o esté anclada al fondo marino, lo que añade costos y limitaciones de ingeniería. Las tormentas regulares, o incluso huracanes en áreas tropicales, aumentan la dificultad de crear estructuras que puedan sobrevivir en los océanos.

Otro factor clave es la sal del mar. La salinidad del océano hace que el agua de mar sea extremadamente corrosiva para los componentes metálicos, incluidos los sistemas de generación de energía como turbinas. Esto requiere aplicar una compleja gama de soluciones personalizadas de recubrimientos, aceites y otras medidas protectoras para evitar que la infraestructura energética sea devorada por la corrosión. El crecimiento de organismos marinos dañinos como algas y conchas marinas (“biofouling”) también puede contribuir al daño en el mar, ya que el material orgánico obstruye y cubre las máquinas.

Fuente: ResearchGate

Por último, aunque vastos, la energía latente de los océanos también es muy difusa. En tierra, la geología y la geografía tienden a concentrar naturalmente los recursos en depósitos minerales, ríos y corredores de viento, algo que la superficie plana del océano no proporciona.

Energía Eólica Offshore: Escalando en el Mar

Al igual que prácticamente todas las plataformas energéticas basadas en el mar, la energía eólica offshore tiende a ser más intensiva en capital. La distancia de áreas habitadas y la corrosión del agua salada también aumentan los costos de mantenimiento y pueden reducir la vida útil de la turbina eólica y sus componentes.

Sin embargo, existen bastantes ventajas de la energía eólica offshore también:

• Producción más eficiente: los vientos offshore son más estables, más potentes y soplan con mayor frecuencia que en tierra.
  • Esto conduce no solo a una mayor producción sino también a una más predecible, más cercana a la generación de energía base que la generación eólica onshore más intermitente.
  • En muchas regiones, la energía eólica offshore aumenta por la tarde y noche, cuando la demanda está en su máximo.
  • Con la mayor parte de la población mundial viviendo cerca de la costa, los sitios offshore suelen estar bastante cerca de los consumidores.
  • Un buen sitio eólico en el mar puede ser mucho más grande que en tierra. Esto permite mayor escala.
• Menor impacto ambiental. Al reducir el uso de tierra y no perturbar el ecosistema local con carreteras de acceso y tráfico en áreas remotas, la energía eólica offshore puede ser más amigable con el medio ambiente que la eólica onshore.
  • El área restringida de los parques eólicos incluso puede ayudar a los ecosistemas marinos.
• Menos oposición: la distancia a los centros de población y la limitación visual reducen enormemente la oposición a los proyectos eólicos cuando son offshore. Las reacciones NIMBY (Not In My Back Yard) son mucho menos impactantes.

Dependiendo de la profundidad, se pueden usar diferentes anclas para las turbinas eólicas offshore.

Fuente: DoE

A medida que la tecnología eólica avanza, una nueva opción es no construir un pilar gigante para una turbina gigante, sino una “pared de turbinas” aún mayor. Algunas unidades están en desarrollo para modelos de 40 MW y podrían alcanzar hasta 126 MW.

Tal sistema sería más adecuado para áreas con vientos muy fuertes y casi constantes, como el Mar del Norte.

Fuente: Recharge News

La concentración de proyectos eólicos offshore en megaproyectos, como la Isla de Energía del Mar del Norte de 10 GW considerada por el gigante de la industria Orsted (D2G.DE ), probablemente será una tendencia dominante en el futuro, ya que reduce los costos de mantenimiento e instalación al compartirlos entre más turbinas eólicas.

La energía eólica offshore probablemente seguirá siendo la principal fuente de energía marítima no basada en combustibles fósiles en la próxima década, gracias a la abundante energía eólica en el mar y a que la tecnología ya está bastante madura.

Algunos analistas estiman que la energía eólica offshore podría ser 12 veces mayor para 2040, con la década de 2030 viendo la instalación de muchos nuevos tipos de turbinas eólicas flotantes.

Fuente: Rystad Energy

(Puedes leer más sobre el potencial de la energía eólica en nuestro informe dedicado “Can Wind Power The World?”)

Energía de Mareas: Energía Renovable Predecible de la Luna

A pesar de que el viento es la forma dominante de energía marítima, la energía de mareas es en realidad la más antigua. Esta es la extracción de la energía generada por la gravedad de la Luna que crea el ascenso y descenso del nivel del mar con la marea.

Inicialmente se aprovechó con un molino de agua que utilizaba el movimiento del mar, en lugar de un río, para girar la rueda del molino. La primera central de energía de mareas a gran escala se construyó en 1966, con la Estación de Energía de Mareas de Rance, en Bretaña, en el noroeste de Francia.

Fuente: Dialogue Earth

Una ventaja clave de la energía de mareas es que es extremadamente estable y predecible, lo que permite una energía renovable de carga base muy fiable. También produce energía por la noche y en invierno sin disminución, lo que la convierte en un buen complemento a la energía solar.

Sin embargo, es una forma difícil de cosechar energía. Normalmente requiere estar ubicado en una zona de marea alta o con una corriente fuerte que canalice la marea a un estrecho estrecho. Esto ha limitado históricamente los sitios potenciales para esta forma de energía. También significa que, en la mayoría de los casos, requiere la construcción de una presa de marea.

“Estamos en el punto en que estamos demostrando la tecnología de manera fiable, y la estamos escalando a escala comercial de servicios públicos. Lo que debemos hacer es observar proyectos relativamente pequeños, solo para demostrar que la tecnología es fiable, superar los obstáculos ambientales y también generar impulso y la escala que necesitamos.”

Seumas Mackenzie – Chief operating officer for tidal developer Nova Innovation

Hasta el día de hoy, se consideran muchos diseños, pero ninguno se fabrica en masa.

Fuente: IRENA

El requisito de que las turbinas se muevan constantemente en el agua de mar también aumenta las dificultades por corrosión y biofouling.

En general, es poco probable que la energía de mareas se convierta pronto en un importante contribuyente energético a nuestra red eléctrica.

Sin embargo, puede ser una solución muy buena para islas aisladas y regiones costeras, como demuestran los proyectos piloto en las Islas Shetland y Orkney. Estas islas requieren ya sea una costosa conexión a la red o importaciones de combustibles fósiles.

Aprovechando Corrientes Oceánicas para la Energía Renovable

Explotar corrientes de alta mar, que mueven una enorme cantidad de agua de forma constante, podría proporcionar una fuente de energía muy poderosa, incluso mayor que la energía de mareas, aunque por ahora sigue siendo una posibilidad teórica.

Fuente: Energy Encyclopedia

Sin embargo, la profundidad extrema y la distancia de las costas para instalar tales instalaciones, así como el riesgo potencial de alterar estas corrientes, que son muy importantes para la regulación climática, no la convierten en una posibilidad realista en el futuro previsible.

Sin embargo, corrientes menos potentes pero más cercanas a la costa podrían quizás formar una opción más realista para este concepto.

Energía de Olas: Transformando las Olas del Océano en Electricidad

Más omnipresentes que las mareas, las olas son una parte natural del océano y una fuente teóricamente ilimitada de energía, representando casi la mitad del potencial energético del océano (excluyendo el viento).

Fuente: IRENA

Aquí también, se siguen considerando muchos diseños, sin que ninguno haya demostrado una clara superioridad sobre otro o se fabrique en masa. En general, la idea es cosechar energía mediante el ascenso y descenso del nivel del agua, la oscilación de la boya o la rotación de una boya.

Fuente: IRENA

Aunque la preparación tecnológica es incluso más baja que la de la energía de mareas, la energía de olas podría ser un importante contribuyente de energía para 2040, con la Unión Europea visualizando 1 gigavatio de producción derivada del océano para 2030, y 40 gigavatios para 2040.

“Los dispositivos de energía de olas deben diseñarse para resistir y sobrevivir a condiciones de tormenta, y eso podría ser una preocupación importante en un mundo que se calienta donde las tormentas son cada vez más extremas.

Hay mucha energía de olas disponible, pero ciertamente es más cara y técnicamente difícil de explotar.

Conchúr Ó Brádaigh – Vice president of the Faculty of Engineering at the University of Sheffield

Esta será una solución energética altamente dependiente del tamaño local de las olas, con algunas regiones más propensas a ser viables que otras. El Atlántico Norte, Pacífico Norte y el sur de Australia parecen los mejores candidatos.

Fuente: ResearchGate

Energía Térmica Oceánica: Aprovechando el Calor Submarino

(OTEC) aprovecha la diferencia de temperatura entre el agua cálida de la superficie y el agua mucho más fría en profundidad. Un gradiente térmico como este es teóricamente muy potente para la generación de energía.

Fuente: Britannica

Para que sea económicamente viable, la diferencia de temperatura debería ser al menos de 20 °C (36 °F) en los primeros 1 000 metros (aprox. 3 300 pies) bajo la superficie.

Porque cuanto mayor sea el gradiente, mayor será el potencial de generación de energía y menores los costos, lo que probablemente lo convierta en una mejor solución para aguas tropicales cálidas combinadas con fondos marinos que descienden rápidamente, notablemente el sudeste de Asia y las costas de México y Brasil.

Fuente: Ocean Energy Systems

Las instalaciones OTEC pueden ser terrestres (con tuberías que llegan al océano) o flotantes. Mientras que las superficies flotantes tienen muchos más sitios potenciales, serán más caras de construir y mantener. La producción de energía offshore tendría que enviarse de regreso a tierra, ya sea a través de cables de energía o mediante la producción in situ de hidrógeno, metanol o amoníaco que se envíe de vuelta a los centros de población.

Un posible efecto secundario positivo del OTEC podría ser también llevar a la superficie aguas profundas ricas en nutrientes. Esto podría utilizarse para la acuicultura marina respetuosa con el medio ambiente e incluso ayudar a capturar carbono mediante el crecimiento de fitoplancton.

Granjas Solares Flotantes: Maximizando la Superficie Marina para Energía Limpia

Además de usar la energía de los propios océanos, los mares nos proporcionan otro recurso abundante: la superficie.

A diferencia de la tierra, que a menudo se usa para granjas o hábitats naturales y es relativamente cara por metro cuadrado, la mayor parte de la superficie del mar es relativamente improductiva, especialmente en áreas tropicales con alta radiación solar.

Además, no hay vecinos ni personas ofendidas por el aspecto estético de estos campos solares offshore. Esto hace que la posibilidad de paneles solares flotantes offshore sea atractiva.

Fuente: RWE

Además, la reflexión de la luz solar por la superficie del mar aumenta el aislamiento total. Este fenómeno podría incluso aprovecharse para generar más energía gracias a los paneles solares bifaciales.

El agua relativamente fría también ayuda a mantener los paneles frescos, lo que mejora su durabilidad y rendimiento máximo.

Varios otros países, de África, el Caribe, Sudamérica y Asia Central, podrían cubrir entre el 40 % y el 70 % de su demanda eléctrica anual mediante la implementación de FPV. Incluso países desarrollados como Finlandia y Dinamarca podrían obtener el 17 % y el 7 % de su demanda anual, respectivamente, de tales fuentes.

Sin embargo, existen algunos riesgos asociados a este diseño de granja solar.

El primer desafío es la presencia de sal. No solo puede causar los habituales riesgos de corrosión en sistemas eléctricos sensibles y estructuras de soporte, sino que los depósitos de cristales de sal del rocío marino pueden acumularse en los paneles, reduciendo su eficiencia de conversión fotoeléctrica. Una solución potencial puede ser ubicar la plataforma de paneles solares más alta sobre el nivel del mar, como en el proyecto piloto Yellow Sea No. 1 del desarrollador chino Huaneng Group.

Fuente: Daily Galaxy

Otro posible problema son las tormentas y huracanes, que pueden destruir las instalaciones solares flotantes mucho antes de que logren “recuperar” la energía requerida para construirlas.

Así que, en general, en lugar de que la estructura flote directamente sobre el agua como en un lago de agua dulce, las plantas solares marinas podrían estar más probablemente montadas en plataformas flotantes no muy diferentes a mini plataformas petroleras.

Energía Geotérmica de Alta Mar: Una Frontera Futurista

Solo en una etapa teórica, esta es una forma de energía que a muy largo plazo podría ser importante para muchos países, especialmente los ubicados a lo largo del llamado “Anillo de Fuego” alrededor del Océano Pacífico.

Fuente: HowStuffWorks

Como la corteza oceánica es mucho más delgada que la continental (4 millas de espesor en lugar de 10‑43 millas), se pueden alcanzar temperaturas muy altas con una perforación menos profunda.

Fuente: GeologyIn

Para aprovechar esta energía potencial se requerirá un mayor progreso en la energía geotérmica, un tema que discutimos en detalle en “Geothermal Power: Green Energy That is Red-Hot”.

Es probable que la forma final de esta fuente de energía sea la combinación de perforación ultra profunda en el mar (actualmente usada para la producción de petróleo) y generación de energía geotérmica de circuito abierto o cerrado.

Fuente: BGS

Uranio del Agua de Mar: Una Nueva Fuente de Combustible Nuclear

Además del viento, sol, mareas y olas, el océano también podría ser una fuente de energía baja en carbono de manera sorprendente: al ser la mayor mina de uranio del planeta.

El agua de mar contiene trazas de uranio disuelto, y el enorme volumen del océano significa que cualquier proceso eficiente para extraer este recurso lo convertiría en un suministro prácticamente ilimitado de combustible radiactivo, con hasta 4,5 mil millones de toneladas, casi 1000 veces más que las reservas terrestres de uranio.

Recientemente escribimos que un avance técnico que usa tejido de fibra de carbono tratado con suficiente área superficial para capturar iones de uranio podría permitir la extracción de uranio mediante una reacción electroquímica.

Combinado con plantas nucleares flotantes, con un modelo ya operado por Rusia y prototipos experimentados por empresas como Danish Saltfoss, esto podría convertir a los océanos en el futuro de la energía nuclear.

Fuente: Saltfoss

Biocombustibles Algal: Cultivando Energía del Océano

Por último, una forma para que el mar produzca energía directamente podría ser aprovechar el crecimiento de microalgas para producir biocombustibles y otros biomateriales como plásticos.

Al usar agua de mar, el biocombustible algal puede resolver el problema del suministro de agua para instalaciones de biocombustibles, siendo las mejores áreas regiones semi‑desérticas con mucha luz solar, pero recursos limitados de agua dulce.

Para volverse comercialmente viable, esta tecnología necesitará seguir optimizando el rendimiento de las algas, gestionar bien el riesgo de contaminaciones de los cultivos y mejorar la eficiencia de la conversión en combustibles utilizables como biodiésel.

Hidrógeno, Amoníaco y Metanol

El agua de mar también podría ser una materia prima para la producción de hidrógeno, notablemente mediante electrólisis. En general, la producción de hidrógeno a partir de agua de mar puede ser problemática, ya que la sal puede dañar los electrocatalizadores. Por lo tanto, idealmente, el agua de mar debe convertirse primero en agua dulce, mediante desalinización.

Los procesos de producción de energía, desalinización y electrocatalisis podrían combinarse como discutimos recientemente sobre un diseño que combina panel solar, desalinización por evaporación y producción local de hidrógeno.

Fuente: Energy & Environmental Science

El hidrógeno producido podría entonces convertirse en amoníaco o metanol para un almacenamiento y transporte más fáciles del combustible verde.

Producción de Hidrógeno y Combustibles Verdes a partir del Agua de Mar

Desalinización con Solar: Soluciones de Agua Dulce más Verdes

Además de producir energía directamente del océano, los mares también podrían ayudar a reemplazar actividades que actualmente consumen enormes cantidades de energía, lo que resultaría en menores emisiones.

El primero es la desalinización antes mencionada, que se está convirtiendo en una fuente crucial de agua dulce para muchos países. Métodos de desalinización mejorados que usan la luz solar directa sobre el océano podrían reducir la demanda de energía para la producción de agua dulce.

Sistemas de Enfriamiento con Agua de Mar: Aire Acondicionado Costero Eficiente

Este concepto es similar a la Conversión de Energía Térmica Oceánica (OTEC) ya que aprovecha la temperatura mucho más fría de las aguas profundas. Sin embargo, puede ser mucho más eficiente al no requerir conversión a electricidad, sino simplemente usar el agua fría como refrigerante en sistemas de aire acondicionado.

Fuente: Solar Impulse

Este sistema puede ahorrar un 42 % de energía comparado con un sistema de aire acondicionado convencional (2,6 km de tubería en el océano para alcanzar una zona a 930 m de profundidad).

Los proyectos experimentales emblemáticos incluyen el proyecto Thassalia de 20 MW de ENGIE (GZF.DE ) y los proyectos Massileo de 21 MW de EDF.

El límite de este sistema es que requiere estar conectado a un sistema de aire acondicionado centralizado y preestablecido. También necesita que la zona costera tenga un fondo marino lo suficientemente empinado para que la profundidad requerida se pueda alcanzar con una tubería lo suficientemente corta.

Almacenamiento de Energía Submarino: Hidroeléctrico de Bombeo y Baterías de Gravedad

Almacenamiento Hidroeléctrico de Bombeo en Alta Mar

Otra opción para usar el mar como fuente de energía es emplearlo como una batería.

El primer método para hacerlo es el almacenamiento hidroeléctrico de bombeo en alta mar. Es un sistema similar al almacenamiento hidroeléctrico de bombeo que usa presas y montañas, pero aprovecha la profundidad del océano.

Fuente: Department of Energy

Esto podría resolver un problema importante del almacenamiento hidroeléctrico de bombeo, que es la falta de sitios disponibles de tamaño suficiente para escalar la tecnología. Es un problema desafortunado, ya que el almacenamiento hidroeléctrico es una tecnología probada y escalable que puede almacenar energía durante semanas o meses con poca pérdida, y tiene una notable eficiencia de almacenamiento del 70‑80 %.

Un proyecto piloto está explorando esta idea: StEnSea, o “Stored Energy in the Sea”.

Una serie de esferas huecas de hormigón en el lecho marino a profundidades de 600 a 800 metros, donde la presión ya es considerable.

Fuente: Clean Technica

Cuando la demanda eléctrica es baja, estas esferas se vacían de agua mediante bombas eléctricas, almacenando el excedente de electricidad. Cuando la demanda aumenta, se rellenan, y la presión proporciona la energía.

Fuente: Fraunhofer Institute

Estos sistemas podrían desplegarse junto con parques eólicos offshore, permitiéndoles amortiguar la producción intermitente de energía eólica mientras utilizan el mismo cable de energía para transmitir la energía de regreso a la costa.

La evaluación tecno‑económica muestra que el sistema StEnSea es competitivo en costos con el almacenamiento de energía hidroeléctrica de bombeo convencional (PHES).

Otra ventaja es la configuración modular que se logra al combinar varias unidades StEnSea en una planta. Esto aumenta la flexibilidad de la planta y, por lo tanto, el rango de posibles aplicaciones.

Baterías de Gravedad Oceánicas: Almacenando Energía con Profundidad

Una idea similar a usar la profundidad del océano es construir baterías de gravedad offshore. La batería de gravedad es un concepto que discutimos en “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition“: objetos ultra‑pesados como rocas, bloques de hormigón o agregados de mineral de hierro, se elevan y bajan para almacenar o generar electricidad.

Los componentes clave de las baterías de gravedad también son bastante simples y ya se producen en masa: anclas, cables metálicos, alternadores y motores eléctricos. Las baterías de gravedad tienen una eficiencia de almacenamiento de energía del 80‑85 %, pueden durar hasta 50 años, sin usar materiales o metales raros. La generación de energía también puede ser muy flexible, reactiva y duradera.

La limitación del “almacenamiento de energía sólido” con gravedad es que la energía almacenada a solo unas decenas o cientos de metros no es muy grande. Por lo tanto, idealmente se necesita mucho, y siempre que haya una mina o acantilado, si es posible.

Una plataforma flotante podría situarse sobre una zona con fondo marino profundo y bajar o elevar un peso a lo largo de varios miles de metros. Este concepto se llama Almacenamiento de Energía Gravitacional del Océano Profundo (DOGES). Una empresa que trabaja en este concepto es la startup francesa Sink Float Solutions.

“Actualmente, las grúas offshore con la mayor capacidad de carga pueden levantar masas de 4000 toneladas, lo que, a una velocidad vertical de 20 km/h, correspondería a una potencia de 200 MW. Se pueden usar varias cabrestantes en el mismo sitio en paralelo.”

Una ventaja de este método es que las partes expuestas al agua de mar pueden ser muy simples, solo cable metálico y roca/hormigón, dejando los componentes eléctricos y electrónicos sensibles muy por encima del nivel del mar en la plataforma flotante.

Reflexiones Finales: Cambiando la Marea de la Energía Limpia

Los mares y océanos de la Tierra son quizás los mayores recursos energéticos sin explotar, desde la energía eólica offshore hasta el aprovechamiento del gradiente térmico de aguas profundas, mareas y olas. Las mismas características del agua de mar también podrían usarse para desalinización o refrigeración.

La luz solar que incide sobre el mar también podría usarse para la producción de hidrógeno o biocombustibles, ayudando a descarbonizar sectores difíciles de electrificar.

Los océanos también podrían ser una fuente clave de recursos o producción energética futura, con, por ejemplo, la purificación de uranio del agua de mar y la energía geotérmica profunda offshore.

Por último, podrían ser una opción poderosa y escalable para el almacenamiento de energía, notablemente con baterías de gravedad y almacenamiento hidroeléctrico de bombeo en alta mar.

Sin embargo, todas estas posibilidades deben considerarse teniendo en cuenta las dificultades muy reales creadas por la corrosión por sal, los depósitos de sal, el biofouling y las violentas tormentas y huracanes.

Paradójicamente, las soluciones a estos problemas probablemente se beneficiarán enormemente de la experiencia de larga data de la industria del petróleo&gas en la construcción de plataformas offshore y el mantenimiento de maquinaria compleja y frágil en el mar.