Potencial de producción de energías Potencial de producción de energías marinas en Colombiamarinas en Colombia

Andrés Fernando Osorio Arias Phd.

CoinvestigadoresOrtega S, Agudelo P, Velez J.I, Montoya R., Mesa J.,

Otero L., Davis A., Lonin S., Ruiz M., Bernal G.,

Grupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera (OCEANICOS).Escuela de Geociencias y Medio Ambiente.

Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.

SEMINARIO NACIONAL DE ECONOMIAVILLAVICENCIO – Mayo de 2011

ÍNDICE0. Grupo

1. Energéticos

2. Recursos marinos vs Tecnologías

3. Caracterización de los recursos marinos1. Bases de Datos

2. Metodologías

3. Caso de Estudio en isla Fuerte

4. Resultado en Colombia

4. Indicadores Económicos

GRUPO OCEANICOSGrupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

-Oceanografía Física Geológica Operacional (derrames de hidrocarburos)

-Ecosistemas marinos Estuarios Manglares Arrecifes

-Modelamiento matemático Hidrodinámica Calidad de aguas Modelamiento de estuarios

-Gestión costera

-Clima Cambio climático Clima marítimo

-Ingeniería portuaria

-Ingeniería de Costas Procesos Costeros Obras costeras

GRUPO OCEANICOSGrupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

PhD. Francisco Mauricio Toro Botero - MODELAMIENTO

PhD. Jaime Ignacio Vélez Upegui – HIDROCLIMA Y GESTIÓN

PhD. Germán Poveda Jaramillo - CLIMA

PhD. Gladys Rocío Bernal Franco - OCEANOGRAFÍA

PhD. Ligia Estela Urrego Giraldo – ECOSISTEMAS

PhD. Jaime Henning Polanía Vorenberg – ECOSISTEMAS

PhD. Andrés Fernando Osorio Arias – ING. COSTAS Y PUERTOS

PhD. Evelio Andrés Gómez Giraldo - MODELAMIENTO

PhD. Veronica Botero – TELEDETECCIÓN Y SIG

MSc. Gabriel Awas – ADMINISTRACIÓN PUBLICA

MSc. Pablo Agudelo Restrepo PhD (c) – Energía y Puertos

GRUPO OCEANICOSGrupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

PROYECTOSPROYECTOS

1. INTERACCIÓN A-O-T CARIBE COLOMBIANO1. INTERACCIÓN A-O-T CARIBE COLOMBIANO

2. MONITOREO DE COSTAS CON VIDEO: SISTEMA HORUS2. MONITOREO DE COSTAS CON VIDEO: SISTEMA HORUS

3. MANEJO DE MICROCUENCAS COSTERAS3. MANEJO DE MICROCUENCAS COSTERAS

4. ESTUDIO HIDRODINÁMICO DEL GOLFO DE URABÁ4. ESTUDIO HIDRODINÁMICO DEL GOLFO DE URABÁ

5. BASES PARA DEFINIR COTA DE INUNDACIÓN COSTA CARIBE 5. BASES PARA DEFINIR COTA DE INUNDACIÓN COSTA CARIBE

6. RECONSTRUCCIÓN DE LA NIÑA EN EL SINÚ6. RECONSTRUCCIÓN DE LA NIÑA EN EL SINÚ

7. ENERGIA BASADA EN OLEAJE – Isla Fuerte7. ENERGIA BASADA EN OLEAJE – Isla Fuerte

8. ESTUDIO HIDROSEDIMENTOLÓGICO CANAL DEL DIQUE8. ESTUDIO HIDROSEDIMENTOLÓGICO CANAL DEL DIQUE

9. PLAN DE MONITOREO AMBIENTAL DE LOS PUERTOS DE COLOMBIA9. PLAN DE MONITOREO AMBIENTAL DE LOS PUERTOS DE COLOMBIA

10.RESPUESTA DE LOS MANGLARES Y EL MACROBENTOS10.RESPUESTA DE LOS MANGLARES Y EL MACROBENTOS

11. MANGLARES DEL ANTIGUO DELTA DEL RÍO SINÚ: CISPATA11. MANGLARES DEL ANTIGUO DELTA DEL RÍO SINÚ: CISPATA

12. MANGLARES EN EL HOLOCENO: GUAJIRA Y SAN ANDRES 12. MANGLARES EN EL HOLOCENO: GUAJIRA Y SAN ANDRES

13. TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELECTRICA DESDE COLOMBIA A LA FLORIDA13. TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELECTRICA DESDE COLOMBIA A LA FLORIDA

14. POTENCIAL DE ENERGÍA MARINA EN COLOMBIA - CIIEN14. POTENCIAL DE ENERGÍA MARINA EN COLOMBIA - CIIEN

1. ENERGÉTICOS1. ENERGÉTICOS

7

Parte I : Generalidades de la energía oceánica1. Clasificación de tecnologías para la extracción de energía marina2. Potencial de energía oceánica en el mundo3. Distribución geográfica del recurso4. Madurez de las tecnologías5. Mercados más desarrollados6. Desarrollo Energía de Olas en Europa7. Ventajas de la energía oceánica8. Barreras a la implementación de energía oceánica 9. Ejemplos de proyectos instalados10.Comparación con otras tecnologías de energía renovable

Parte II : Enfoque: energía extraída de las olas del mar1. Convertidores de energía de olas2. Principales desarrolladores a nivel mundial

Los océanos son una gran fuente de energía renovable cuyo potencial puede extraerse aprovechando diferentes tipos de fenómenos físicos:

Olas

Mareas

Salinidad

Temperatura

Fuente: IEA NEET WORKSHOP, Brasilia, Nov. 2007

8

9

Olas

Directamente el movimiento en la superficie de la ola

Las fluctuaciones de presión bajo la superficie de la ola

Energía tanto potencial como cinética puede ser extraída de las olas mediante dispositivos que aprovechan:

Elevación del agua:En Presas

Flujo del agua:

Corrientes

Mareas

Energía Potencial

Energía Cinética

ENERGETICOS MARINOS: CORRIENTES MAREALES*

Pot = (1/2) A V3 Estimación de los campos de velocidad:

• Medición directa• Estudio de armónicos para

estimación de niveles de marea

• Modelos hidráulicos simplificados

• Modelos de circulación costera

* Energético similar al eólico pero con dos diferencias escenciales: su densidad es cerca de 1000 veces mayor y los campos de velocidad en magnitud son menores, pero mas predecibles. Tecnica y económicmente viable a partir de 1,5 m/s para campos oscilatorios y de 1,0 para campos no oscilatorios.

12

Gradiente Salino

GradienteTérmico

Aguas de gran salinidad

Aguas de baja salinidad

Aguas Superficiales: Alta Temperatura

Aguas Profundas: Baja Temperatura

Diferencia de Presión

13

Potencial de la energía oceánica en el mundo

Fuente: IEA NEET WORKSHOP, Brasilia, Nov. 2007

Energía Oceánica

Mareas(Corrientes)800 + TWh

Gradiente Térmico

10,000 TWh

Gradiente Salino

2,000 TWh

Mareas (Presa)

300 + TWh

Olas8,000 a 80,000

TWh

14

Distribución geográfica del recurso oleaje

15

Grad.Salinidad Mareas (Presa) Gradiente Térmico Mareas (Corrientes) Olas

Fuente: Ocean Energy: Global Technology Development. IEA-OES Doc No. T0104

17Fuente: International Markets for Wave Energy – Gobierno de Escocia Octubre 2009

Desarrollo Energía de Olas en Europa

18

Ventajas de la Energía Oceánica

• Tecnología muy respetuosa con el medio ambiente• Potencial de crecimiento enorme• Aprovechamiento de fenómenos fácilmente predecibles• Baja Intermitencia• Grandes concentraciones de población en las costas• Posibilidad de integrar comunidades costeras

(producción y consumo)• No genera problemas estéticos ni de disponibilidad de

espacio

19

Barreras a la implementación de energía oceánica

• Fase de desarrollo temprana• Inexistencia de estudios de potencial de recurso (o

estudios poco fiables)• Incertidumbre/inexistencia de marcos regulatorios• Dificultad de acceso para instalación y mantenimiento

(dispositivos instalados en altamar o en aguas muy profundas)

• Accesibilidad a la red eléctrica (en altamar)• Riesgos operacionales (oleaje fuerte, corrosión)

Comparación con otras renovables

Densidades energéticas en un sitio específico:

• Energía Solar = 0.17kw/m2

• Energía Eólica= 0.58 kw/m2

• Energía de Olas= 8.42 kw/m2

Fuente: Green Light for Renewable Energy. Nov 2007

2. RECURSOS VS 2. RECURSOS VS TECNOLOGÍASTECNOLOGÍAS

22

Enfoque: energía extraídade las olas del mar

23

Convertidores de energía de olas

Columna Oscilante de Agua

Sistemas Totalizadores

24

Absorbedores

Atenuadores

Sistemas basculantes Flotantes

25

Sistemas Basculantes Sumergidos

Convertidor sumergido basculante (horizontal)

Absorbedor puntual sumergido diferencia de presión

26

El Sistema creado por Nova Oceanic Energy inc. combina:

Absorbedor basculante flotante: Extracción de energía potencial

Dispositivo sumergido basculante horizontal: Extracción de energía cinética

Sistemas híbridos

Pelamis: Atenuador

Oyster: Sumergido Basculante

AquaBuoy: AbsorbedorPowerbuoy: Absorbedor

AWS: Absorbedor Sumergido Diferencial de Presión

Wave dragon: Sistema Totalizador

Ejemplos de proyectos instalados

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• 5 desarrolladores han firmado un contrato para la instalación de equipos para extracción de energía de olas y mareas en 10 emplazamientos en Escocia. El proyecto tendrá 1.2GW de capacidad instalada para 2020 y será suficiente para cubrir las necesidades eléctricas de hasta 750.000 hogares. Equipos mayoritariamente de Oyster y Pelamis

•En el primer emestre de 2011, la compañía Ocean Power Technologies instalará 19MW en aguas australianas, un proyecto utilizando su convertidor de energía de olas Powerbuoy

• En febrero de 2010 ha comenzado la construcción de lo que será el primer parque de generación eléctrica utilizando las olas del mar en Estados Unidos. El proyecto usará convertidores Powerbuoy y tendrá una capacidad de1.5MW

Ejemplos de proyectos instalados

TECNOLOGÍA: CorrientesProblemas por solucionar

Empresa País

Marine Current Turbines Ltd

www.marineturbines.com

United Kingdom

Lunar Energy Ltd

www.lunarenergy.com.uk

United States

GCK

www.gcktechnology.com

United States

Open Hydro

www.openhydro.com

United States

Blue Energy Canada Inc

www.bluenergy.com

Canada

Seapower Int’l AB www.seapower.se

Suecia

SMD Hydrovision

www.smdhydrovision.com

United Kingdom

UEK

www.uekus.com

United States

Verdant Power

www.verdantpower.com

United States

• Materiales en ambiente hostil

• Mecanismos que mejoren la eficiencia del movimiento

• Necesidad de sistemas de arranque (Power Take Off System)

TECNOLOGÍA: OleajeProblemas por solucionar

Empresa

Ocean Power Delivery (UK)

www.oceanpd.com

Ocean Power Technologies (USA)

www.oceanpowertechnologies.com

Energetech (Australia)

www.energetech.com.au

Wave Dragon ApS (Dinamarca)

www.wavedragon.net

Teamwork Tech (Holanda)

www.waveswing.com

AquaEnergy (USA)

www.aquaenergygroup.com

WaveBob Ltd (Irlanda)

Independent Natural Resources (USA)

www.inri.us

1. Eficiencia de los sistemas de arranque (Power Take Off Systems)

2. Sincronización frecuencial3. Sincronización direccional4. Forma de entrega de energía a la red5. Materiales

– Estructurales– Amarres

6. Necesidad de turbinas neumáticas más eficientes

7. Necesidad de turbinas de baja cabeza más eficientes

8. Sistemas de parada (end stop) para equipos flotantes

3. CARACTERIZACIÓN3. CARACTERIZACIÓN

Andrade, 1999

Joanna Gyory, Arthur J. Mariano, Edward H. Ryan. "The Caribbean Current." Ocean Surface Currents. (2007). http://oceancurrents.rsmas.miami.edu/caribbean/caribbean.html.

VIENTOS

CORRIENTES

NIVEL DEL MARCartagena: 6 mm/a 1950 - 1993

Andrade (2003),

Ruiz-Ochoa (2006)

TEMPERATURA SUPERFICIAL DEL MAR

Entender

Vientos

Variables

TSM

SSM

Nivel del mar

Reanálisis NCEP/NCAR

Bases de datos

ICOADS

Reynolds

Termómetro Islas del Rosario

Flujos de calor

Variabilidad de la cuenca Colombia (Mar Caribe) asociada con El Niño-Oscilación del Sur, vientos Alisios y procesos locales

Boyas

NODC

TOPEX/POSEIDON-JASON

Universidad de Hawaii

Análisis de datos

Estadístico

Series de tiempo

Aportes

Entendimiento de los fenómenos climáticos tropicales.

Conocimiento de la respuesta de la región.

Mejoramiento de los modelos predictivos de variabilidad.

Efecto Huracanes – Condiciones Extremas

Boya 42058 –

Coor: 75.06W,15.06N

RMSE =0.50

MAD =0.33

RMSE = 0.62

MAD = 0.48

Comparación Altura de Ola Significante Hs - DIA - Año 2005

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

07/06/2005 00:00 27/06/2005 00:00 17/07/2005 00:00 06/08/2005 00:00 26/08/2005 00:00

Fecha

Alt

ura

de

Ola

Sig

nif

ica

nte

Hs

[m

]

Boya

Snyder et al. (1981)- DIA [m]

Tolman y Chalikov (1996) - DIA [m]

BASE DE DATOS OCEANOGRÁFICA PARA

EL CARIBE COLOMBIANO 1968-2007 - 40 AÑOS

Espectro de Oleaje

Seasonal variation of SSH POCM 4C (January)

0

1 2

5

3

1

1

-1

-2-4

-6

84oW 81oW 78oW 75oW 72oW 8oN

10oN

12oN

14oN

16oN

18oN

20oN

Circulation of POCM 4C (January)

84oW 81oW 78oW 75oW 72oW 8oN

10oN

12oN

14oN

16oN

18oN

20oN

Cm

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

CASO DE ESTUDIOIsla Fuerte

Isla Fuerte Comunidad no-

interconectada al STN Potencial en el norte de

la Isla Actualmente el

abastecimiento energético es con combustibles fósiles y madera

2000- 6000 personas

Metodología de Caracterización

Vientos de Reanálisis

Modelo SWAN

Batimetrías

Series de Oleaje

Series de Oleaje

Mapas Energéticos

Análisis y correcciones de las

series

Series de oleaje corregidas en el sitio

escogido

Probabilidad Conjunta

Percentiles de Potencia

Algoritmo k-means

Registros Existentes

Ejecuciones Anidadas del

Modelo

Escogencia del sitio de

generación

Restricciones sociales, ambientales y geográficas

Mallas ComputacionalesCLUSTER COMPUTACIONAL

Mapas Energéticos

Ciclo Anual del Ciclo Diurno

Probabilidad Conjunta y Potencial de Energía

 IDENTIFICACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DEL MAR EN COLOMBIA Y ANÁLISIS DE LAS TECNOLOGÍAS DE MEDICIÓN Y DE APROVECHAMIENTO PARA LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA A NIVEL COMERCIAL

CENTRO DE INVESTIGACIÓN E INNOVACIÓN EN ENERGÍA CIIEN

Universidad Nacional de ColombiaUniversidad Pontificia BolivarianaDirección General Marítima

4. INDICADORES ECONÓMICOS4. INDICADORES ECONÓMICOS(extractado de un estudio económico realizado por el Carbon Trust (extractado de un estudio económico realizado por el Carbon Trust durante el desarrollo del Marine Energy Challenge, UK)durante el desarrollo del Marine Energy Challenge, UK)

COSTO DE LA ENERGÍA

Factores que afectan el costo de la energía:

• Costos de Capital• Costos de Operación y Mantenimiento (O&M)• Cantidad de enegía producida (“performance”)

NO HAY COSTOS POR EL ENERGÉTICO!!!

La evaluación económica cosiste entonces en sopesar los costos de capital y AO&M contra los beneficios por el “performance”, estimando un indicador como el Costo de la Energía Generada... la cual para efectos decisorios debe compararse (combinada con otros criterios) con la alternativa energética más barata

COSTO DE LA ENERGÍA

• Costos de Capital– Equipo de generación– Costos de la estructura– Costos de instalación– Costos de los amarres– Costos de conexión a la red– Gerencia del proyecto

Costos de Capital = f (experiencia que se gane en fabricación e instalación, sitio del emplazamiento... )

COSTO DE LA ENERGÍA

• Costos de O&M– Mantenimientos Pl y uPl– Repuestos– Permisos y seguros– Monitoreo del energético

Hoy en día resulta bastante complicado estimar estos costos debido a la escacez de proyectos en operación...

COSTO DE LA ENERGÍA

• “Performance” (cantidad de energía generada)– Disponibilidad del recurso– Eficiencia del elemento motriz primario (PM)– Eficiencia del sistema Power Take Off – Disponibilidad de los equipos– Amplitud del sistema que “caza” el energético

El “Performace” varía ampliamente de acuerdo al tipo de energético aprovechado (olas o corrientes) y al subtipo tecnológico usado (absorbedor puntal, atenuador, etc... eje horizonta, eje vertical, etc.)

COSTO DE LA ENERGÍA

Cálculo del costo de la energía:

CE = (C.Cap + VP(C.O&M)) VP(BPE)

Elementos a tener en cuenta:• Costos de capital estimados con base en prototipos en escala

real → sobrestimación de costos– No se consideran economías de escala– No se consideran mejoras en el diseños por pruebas en prototipos

• El “performance” de un prototipo a escala real es probablemente menor que el de “en servicio” ya que estos son usados primariamente para obtener datos que mejoren la “ingeniería”...

COSTO DE LA ENERGÍA

cont, Elementos a tener en cuenta:• Debido a la diversidad de tecnologías y estados de desarrollo

para el aprovechamiento de enegéticos, se escogieron para la evaluación las tecnologías mas promisorias (subjetivas con base en criterios de ingeniería)

• Se presentarán bandas muy anchas de los estimadores debido a la diversidad de diseños tecnológicos y a la incertidumbre en el “performance” y en O&M

Se asume para la evaluación económica:• Equipos instalados en aprovechamientos de 10MW• Tasa Interna de Retorno: 15% (basada en discusiones con los

inversores acerca de su percepción del riesgo vs esperanza de ganacias) → se espera que caiga debido a reducción de costos futuros por “aprendizaje” y, por lo tanto, reducción del riesgo...

COSTO DE LA ENERGÍA

Estimación de Costos de CapitalOleaje• Primeros prototipos: 7.000 – 16.000 US$/kW• Primeros aprovechamientos*: 3.000 – 7.000 US$/kW

Corrientes• Primeros prototipos: 7.000 – 14.000 US$/kW• Primeros aprovechamientos*: 2.500 – 5.500 US$/kW

(caso especial)Oleaje (OWC near-shore)• Primeros prototipos: 5.500 – 16.000 US$/kW• Primeros aprovechamientos*: 2.000 – 5.000 US$/kW

* : se asumen pequeñas economías de escala y un factor de aprendizaje

COSTO DE LA ENERGÍA

Costo Energía de los primeros aprovechamientos:Oleaje• Bandas de incertidumbre: 20 – 80 cUS$/kWh• Estimados centrales: 40 – 45 cUS$/kWh

Corrientes• Bandas de incertidumbre : 15 – 35 cUS$/kWh• Estimados centrales: 20 – 30 cUS$/kWh

(caso especial)Oleaje (OWC near-shore)• Estimados centrales: 25 – 50 cUS$/kWh

COSTO DE LA ENERGÍA

Comparación en UK de los CE obtenidos para Renovables Marinas vs el CE de una Termica de Ciclo Combinado (la alternativa más barata)

COSTO DE LA ENERGÍA¿El Futuro?

Con base en el conocimiento que se tiene hoy en día de la tecnología de equipos para aprovechamiento de energía marina y... que hay evidencia empírica a partir de la generación de energía de otras renovables como las celdas fotovoltáicas y turbinas de viento, se espera en futuro:

• Mejoras en los diseños conceptuales

• Optimización de los diseños detallados

• Economías de escala y• “Aprendizaje” en la producción,

construcción, instalación y O&M

COSTO DE LA ENERGÍA¿El Futuro?

Estimación de costos futuros:Se asumen 2 escenarios para la Tasa de Aprendizaje, tanto para la tecnología del oleaje como para la de las corrientes:

• Tecnología Oleaje: 10% y 15%• Tecnología Corrientes: 5% y 10%

COSTO DE LA ENERGÍA¿El Futuro?OleajeReducción del CE por Tasa de Aprendizaje del 10% y 15% y arrancando en los estimador central superior e inferior del CE_act:

COSTO DE LA ENERGÍA¿El Futuro?CorrientesReducción del CE por Tasa de Aprendizaje del 5% y 10% y arrancando en el CE de la banda de incertidumbre inferior (15 cUS$/kWh ≈ 8 p/kWh

• Hay elementos de juicio para pensar que la energía marina se tornará, en el futuro, en un alternativa competitiva

• Se necesita acelerar las tasas de aprendizaje para hacer de este energético una alternativa competitiva → INVERSIÓN en I+D y apoyo económico a empresas de innovación y desarrollo tecnológico

• El desarrollo tecnológico de este tipo de equipos para aprovechamiento de energía marina NO beneficia sólo a los países presionados por los altos costos del petróleo y los costos de emisión de carbono... es una tecnología que puede ser aprovechada (¿o codesarrollada?) en países del 3er mundo como herramienta para el desarrollo... Siempre y cuando haya disponibilidad del energético

Conclusiones

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Conclusiones

• Existe mucha actividad en el mundo, sin embargo todavía hay muy pocos proyectos comerciales operativos.

• Existen todavía varios conceptos de extracción y las opciones tecnológicas están abiertas

• Las costas de Colombia, Latino América y el Caribe tienen un potencial gigante y totalmente inexplotado: hay que evaluar este potencial y encontrar la manera de explotarlo de forma sostenible.

• No hay tantas tecnologías de energía alternativa con tanto potencial de desarrollo: El momento de actuar es ahora.El momento de actuar es ahora.

GRACIAS!!!

h t t p : / / o c e a n i c o s . u n a l m e d . e d u . c oEmail: afosorioar@unal.edu.co