A veces la innovación viene de lugares improbables, y el dispositivo de energía de las olas que cambiará el panorama en el futuro puede haber nacido en un garaje de Colorado.
Como fuente potencial de energía renovable, la energía de las olas o energía undimotriz, es tan prometedora como el mar mismo. Sin embargo, para que esta nueva y emocionante tecnología haga olas en nuestra mezcla de generación de energía futura, las matemáticas deben sumar.
El investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (National Renewable Energy Laboratory, NREL), Scott Jenne, puede haber acercado la industria de la energía mareomotriz un poco más a la factibilidad con su diseño de una bomba de olas inflable, fiable y fácilmente transportable, que puede soportar grandes cargas hidrodinámicas y requiere una instalación y un mantenimiento mínimos para arrancar.
Del prototipo a la patente
El viaje de Jenne comenzó alrededor de una pizarra con el investigador del NREL y co-inventor Yi-Hsiang Yu. Juntos, hicieron una tormenta de ideas sobre las configuraciones iniciales y las técnicas de modelado. Jenne se puso a trabajar en su propio garaje, donde construyó la primera iteración del dispositivo en su tiempo libre para verificar algunas de sus primeras suposiciones.
El prototipo resultante permitió a Jenne asegurarse el premio «Acelerar los Inventos al Mercado» (Accelerating Inventions to Market, AIM) de la Oficina de Transferencia de Tecnología del NREL. La subvención financió los esfuerzos iniciales de modelado y validación que ayudaron a mover su concepto de dispositivo de energía de las olas desde el prototipo hacia la patente.
La experiencia de Yu en el modelado numérico fue crucial para desarrollar un modelo inicial del dominio de la frecuencia que el equipo utilizó para evaluar esta tecnología específica. Evaluaron el diseño en tres tamaños diferentes (1 metro [m], 10 m y 20 m de diámetro) y evaluaron el dispositivo en función de los parámetros potenciales de extracción y ajuste de energía.
En el análisis que se realizó a continuación se comprobó que la bomba de olas inflables funcionaba de manera similar a los dispositivos convencionales de energía mareomotriz de absorción puntual, al tiempo que proporcionaba parámetros de sintonización adicionales.
Concretamente, la sintonización de la tasa de resorte y el volumen de aire permite una control adicional para los diferentes estados del mar, en lugar de depender del control de la toma de fuerza activa o de añadir masa a este sistema, como sería el caso de los dispositivos tradicionales. Estos beneficios añadidos sugieren que puede haber oportunidades para que este dispositivo satisfaga una amplia variedad de aplicaciones de mercado.
Materiales ordinarios; potencial extraordinario
El NREL está investigando el uso de un conjunto de materiales para la energía marina, incluyendo compuestos reciclables y convertidores de energía de material flexible distribuido.
Construida con materiales flexibles de bajo costo, la bomba inflable de olas puede absorber la energía de las olas a través de presiones variables en o debajo de la superficie del agua. Este dispositivo absorbe la energía a través de la presión distribuida alrededor del cuerpo flexible y transfiere la energía a un único lugar que es fácil de aprovechar, en este caso, el diafragma.
El diseño emplea materiales baratos, como el caucho o las telas recubiertas de caucho, para sustituir a los materiales rígidos más caros y difíciles de transportar, como el acero y las estructuras compuestas.
Un diafragma con una rigidez de resorte es fundamental para este diseño único. El sistema transfiere energía, en forma de presión de aire, a este diafragma, que funciona como una bomba de desplazamiento positivo. La rigidez del resorte del diafragma proporciona la fuerza de restauración necesaria para completar el ciclo.
Cuando una ola pasa por encima del dispositivo sumergido, comprime la cámara de aire y expande el diafragma, que empuja el agua fuera del dispositivo a través de una válvula de retención unidireccional.
Cuando se reduce la presión en la cámara, el resorte del diafragma devuelve el agua al dispositivo a través de otra válvula de retención mientras que simultáneamente vuelve a inflar la cámara de aire para que el proceso pueda comenzar de nuevo.
Vídeo. Se muestra un ejemplo de como funciona la bomba de olas inflable. Crédito: Josh Bauer, NREL.
Energía mareomotriz: ventajas del diseño
El diseño del dispositivo se guió por las áreas clave que actualmente afectan a la asequibilidad de la energía de las olas: la eliminación de la carga, la fabricación y la instalación. El diseño de Jenne difiere de otros dispositivos de absorción de energía de las olas en varios aspectos:
- Fácilmente transportable e instalable: Se pueden desinflar y transportar por tierra o por barco, lo que reduce los riesgos asociados a las instalaciones más tradicionales, como es el caso de los actuales convertidores de energía de las olas (wave energy converters, WEC, por sus siglas en inglés). Además, como la bomba inflable es más ligera en peso y volumen que muchos otros WEC, se pueden reducir drásticamente los costos de transporte y mantenimiento. Debido a su facilidad de movimiento, la bomba inflable puede fabricarse en cualquier lugar y enviarse, a diferencia de los dispositivos WEC de gran tamaño, que a menudo son tan grandes y difíciles de mover que deben ser construidos en astilleros selectos que sean capaces de manejar las grandes estructuras.
- Mejora de la capacidad de fabricación: El diseño de Jenne aprovecha la experiencia de fabricación actual, explotando la importante base de conocimientos en torno al desarrollo de productos como los botes inflables rígidos, así como los materiales herméticos al agua y al aire. También se aseguró de que cada parte del dispositivo pudiera ser producida utilizando la tecnología y la experiencia existentes sin necesidad de fabricación en astilleros especializados -una enorme ventaja de este diseño-, lo que tiene el potencial de reducir drásticamente el tiempo y los costos de fabricación.
El concepto de Jenne también mejora los diseños actuales de los absorbedores de punto en el contexto del mantenimiento y las operaciones:
- Capacidad de desprenderse de la carga: La eliminación de la carga es una característica esencial para regular las fuerzas dañinas contra un dispositivo de energía de las olas, y es clave para prevenir daños o fallos del sistema, así como para mantener bajos los costos de los materiales. El investigador del NREL Nathan Tom y el equipo de energía de las olas del NREL han llevado a cabo una investigación fundamental sobre el tema, creando un concepto similar al de las persianas venecianas para ayudar a los equipos WEC en la eliminación de la carga.
La estructura de la bomba de ondas inflables puede permitir técnicas de eliminación de cargas que de otra manera serían imposibles con los mecanismos WEC de cuerpo rígido, como el uso de válvulas de alivio de presión para disipar la energía durante condiciones de ondas extremas. Esto, a su vez, puede reducir las cargas de diseño requeridas (la cantidad máxima de fuerzas que un dispositivo debe soportar), lo que se traduce en estructuras menos costosas.
- Se minimizan los puntos de fallo: El diseño de la bomba inflable elimina la necesidad de sellos mecánicos, que son un punto común de fallo en los sistemas de energía fluida, sustituyéndolos por sellos estáticos de mayor duración.
- Mayor fiabilidad: Al eliminar las numerosas piezas móviles que podrían ser necesarias en otros tipos de dispositivos de energía de las olas, la bomba inflable para olas tiene la oportunidad de mejorar la durabilidad y la fiabilidad general del sistema.
Conformación para salir al mar
Las aplicaciones potenciales de este nuevo e innovador equipo son enormes, desde la desalinización hasta la instalación en pequeña escala en aguas poco profundas, pasando por las operaciones cerca de la costa y más.
En el futuro, el equipo de Jenne tiene como objetivo asegurar fondos adicionales para el modelado y la prueba del dispositivo. El equipo quiere centrarse en el ajuste fino del mecanismo de resorte, produciendo conceptos que puedan funcionar bien en configuraciones compactas. Al equipo también le gustaría trasladar su trabajo del laboratorio a unos pocos pasos más cerca del mar con una validación de tanque de la bomba inflable de olas.
El equipo del NREL espera que el avance de este dispositivo pueda ayudar a los futuros desarrolladores de energía marina, permitiéndoles construir a partir de los datos resultantes y utilizar el dispositivo y las lecciones aprendidas de su desarrollo como una línea de base para avanzar en los futuros conceptos de energía de las olas.
Para más información, viste: el proyecto de la bomba de olas inflable y la investigación de energía marina de NREL
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