Potencial de producción de energías marinas en Colombia

1. SEMINARIO NACIONAL DE ECONOMIA VILLAVICENCIO – Mayo de 2011 Potencial de producción de energías marinas en Colombia Andrés Fernando Osorio Arias Phd. Coinvestigadores Ortega 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.

2. ÍNDICE 0. Grupo Energéticos Recursos marinos vs Tecnologías Caracterización de los recursos marinos Bases de Datos Metodologías Caso de Estudio en isla Fuerte Resultado en Colombia Indicadores Económicos

3. Grupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA GRUPO OCEANICOS

4. Grupo 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 OCEANICOS

5. Grupo de Investigación en Oceanografía e Ingeniería Costera UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA • PROYECTOS • 1. INTERACCIÓN A-O-T CARIBE COLOMBIANO • 2. MONITOREO DE COSTAS CON VIDEO: SISTEMA HORUS • 3. MANEJO DE MICROCUENCAS COSTERAS • 4. ESTUDIO HIDRODINÁMICO DEL GOLFO DE URABÁ • 5. BASES PARA DEFINIR COTA DE INUNDACIÓN COSTA CARIBE • 6. RECONSTRUCCIÓN DE LA NIÑA EN EL SINÚ • 7. ENERGIA BASADA EN OLEAJE – Isla Fuerte • 8. ESTUDIO HIDROSEDIMENTOLÓGICO CANAL DEL DIQUE • 9. PLAN DE MONITOREO AMBIENTAL DE LOS PUERTOS DE COLOMBIA • 10.RESPUESTA DE LOS MANGLARES Y EL MACROBENTOS • 11. MANGLARES DEL ANTIGUO DELTA DEL RÍO SINÚ: CISPATA • 12. MANGLARES EN EL HOLOCENO: GUAJIRA Y SAN ANDRES • 13. TRANSMISIÓN DE ENERGÍA ELECTRICA DESDE COLOMBIA A LA FLORIDA • 14. POTENCIAL DE ENERGÍA MARINA EN COLOMBIA - CIIEN GRUPO OCEANICOS

6. 1. ENERGÉTICOS

7. Parte I : Generalidades de la energía oceánica • Clasificación de tecnologías para la extracción de energía marina • Potencial de energía oceánica en el mundo • Distribución geográfica del recurso • Madurez de las tecnologías • Mercados más desarrollados • Desarrollo Energía de Olas en Europa • Ventajas de la energía oceánica • Barreras a la implementación de energía oceánica • Ejemplos de proyectos instalados • Comparación con otras tecnologías de energía renovable • Parte II : Enfoque: energía extraída de las olas del mar • Convertidores de energía de olas • Principales desarrolladores a nivel mundial

8. 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

9. Olas Energía tanto potencial como cinética puede ser extraída de las olas mediante dispositivos que aprovechan: • Directamente el movimiento en la superficie de la ola • Las fluctuaciones de presión • bajo la superficie de la ola

10. Flujo del agua: Corrientes Energía Cinética Mareas Elevación del agua: En Presas Energía Potencial

11. ENERGETICOS MARINOS: CORRIENTES MAREALES* Pot = (1/2) r 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. Aguas de gran salinidad Aguas de baja salinidad Gradiente Salino Diferencia de Presión Aguas Superficiales: Alta Temperatura Aguas Profundas: Baja Temperatura Gradiente Térmico

13. Potencial de la energía oceánica en el mundo Energía Oceánica Mareas (Corrientes) 800 + TWh Gradiente Térmico 10,000 TWh Gradiente Salino 2,000 TWh Olas 8,000 a 80,000 TWh Mareas (Presa) 300 + TWh Fuente: IEA NEET WORKSHOP, Brasilia, Nov. 2007

14. Distribución geográfica del recurso oleaje

15. Número de Sistemas Grad.Salinidad Mareas (Presa) Gradiente Térmico Mareas (Corrientes) Olas Fuente: Ocean Energy: Global Technology Development. IEA-OES Doc No. T0104

16. Olas Oceánicas Gradiente de Salinidad Mareas/corrientes Térmica Tecnologías de Energía Oceánica en Desarrollo Alemania Grecia Finlandia Francia Italia Holanda España Bélgica Dinamarca Corea Noruega Suecia Brasil Sur África Japón Irlanda Gran Bretaña Estados Unidos Nueva Zelanda

17. Desarrollo Energía de Olas en Europa Fuente: International Markets for Wave Energy – Gobierno de Escocia Octubre 2009

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)

20. Comparación con otras renovables Fuente: Green Light for Renewable Energy. Nov 2007 • Densidades energéticas en un sitio específico: • Energía Solar = 0.17kw/m2 • Energía Eólica= 0.58 kw/m2 • Energía de Olas= 8.42 kw/m2

21. 2. RECURSOS VS TECNOLOGÍAS

22. Enfoque: energía extraída de las olas del mar

23. Convertidores de energía de olas Columna Oscilante de Agua Sistemas Totalizadores

24. Sistemas basculantes Flotantes Absorbedores Atenuadores

25. Sistemas Basculantes Sumergidos Convertidor sumergido basculante (horizontal) Absorbedor puntual sumergido diferencia de presión

26. Sistemas híbridos El Sistema creado por Nova Oceanic Energy inc. combina: Absorbedor basculante flotante: Extracción de energía potencial Dispositivo sumergido basculante horizontal: Extracción de energía cinética

27. Ejemplos de proyectos instalados Wave dragon: Sistema Totalizador Pelamis: Atenuador AWS: Absorbedor Sumergido Diferencial de Presión Powerbuoy: Absorbedor Oyster: Sumergido Basculante AquaBuoy: Absorbedor

28. Ejemplos de proyectos instalados • 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

29. TECNOLOGÍA: CorrientesProblemas por solucionar • Materiales en ambiente hostil • Mecanismos que mejoren la eficiencia del movimiento • Necesidad de sistemas de arranque (Power Take Off System)

30. TECNOLOGÍA: OleajeProblemas por solucionar • Eficiencia de los sistemas de arranque (Power Take Off Systems) • Sincronización frecuencial • Sincronización direccional • Forma de entrega de energía a la red • Materiales • Estructurales • Amarres • Necesidad de turbinas neumáticas más eficientes • Necesidad de turbinas de baja cabeza más eficientes • Sistemas de parada (end stop) para equipos flotantes

31. 3. CARACTERIZACIÓN

32. NIVEL DEL MAR VIENTOS Cartagena: 6 mm/a 1950 - 1993 Andrade, 1999 Andrade (2003), Ruiz-Ochoa (2006) CORRIENTES TEMPERATURA SUPERFICIAL DEL MAR Joanna Gyory, Arthur J. Mariano, Edward H. Ryan. "The Caribbean Current." Ocean Surface Currents. (2007). http://oceancurrents.rsmas.miami.edu/caribbean/caribbean.html.

33. Variabilidad de la cuenca Colombia (Mar Caribe) asociada con El Niño-Oscilación del Sur, vientos Alisios y procesos locales Entender Variables Bases de datos Análisis de datos Reanálisis NCEP/NCAR Estadístico Vientos ICOADS Series de tiempo Flujos de calor Boyas Reynolds Aportes TSM Termómetro Islas del Rosario Entendimiento de los fenómenos climáticos tropicales. NODC SSM TOPEX/POSEIDON-JASON Conocimiento de la respuesta de la región. Universidad de Hawaii Nivel del mar Mejoramiento de los modelos predictivos de variabilidad.

34. Espectro de Oleaje Efecto Huracanes – Condiciones Extremas Boya 42058 – Coor: 75.06W,15.06N RMSE =0.50 MAD =0.33 RMSE = 0.62 MAD = 0.48

35. Espectro de Oleaje BASE DE DATOS OCEANOGRÁFICA PARA EL CARIBE COLOMBIANO 1968-2007 - 40 AÑOS

36. CASO DE ESTUDIOIsla Fuerte

37. 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

38. Metodología de Caracterización Vientos de Reanálisis Modelo SWAN Batimetrías Ejecuciones Anidadas del Modelo Series de Oleaje Probabilidad Conjunta Análisis y correcciones de las series Mapas Energéticos Registros Existentes Percentiles de Potencia Algoritmo k-means Series de oleaje corregidas en el sitio escogido Escogencia del sitio de generación Restricciones sociales, ambientales y geográficas

39. Mallas ComputacionalesCLUSTER COMPUTACIONAL

40. Mapas Energéticos

41. Ciclo Anual del Ciclo Diurno

42. Probabilidad Conjunta y Potencial de Energía

43. 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 Colombia Universidad Pontificia Bolivariana Dirección General Marítima

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

45. 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

46. 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... )

47. 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...

48. 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.)

49. 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”...

50. 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...