Estudio de aprovechamiento de la energía del  oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)    Tesis presentada como requisito parcial para obtener el título de Magister  en Ingeniería de Recursos Hidráulicos 

  Santiago Ortega Arango I.C.    Director: Andrés Fernando Osorio Arias PhD  Codirector: Jaime Ignacio Vélez Upegui PhD  Asesor: Pablo Agudelo Restrepo PhD (c)   

    Escuela de Geociencias y Medio Ambiente  Facultad de Minas  Universidad Nacional de Colombia  Medellín 

 

2010

                          A mi madre, por sus años de paciencia y apoyo           

 

Agradecimientos  El  ejercicio  del  desarrollo  de  esta  tesis  no  es  solamente  un  ejercicio  académico,  sino  todo  un  proceso personal en el que contribuyeron de distintas maneras todas las personas que influyen en  mi  vida.  Estos  agradecimientos,  más  que  una  simple  mención,  son  un  reconocimiento  al  apoyo  constante sin el cual esta tesis no hubiera sido posible.  Quisiera agradecer a los profesores Andrés Fernando Osorio Arias y a Jaime Ignacio Vélez Upegui,  mi director y codirector de tesis. Su guianza y consejos sirvieron para encaminar mis esfuerzos de  forma que mi investigación avanzó hasta convertirse en esta tesis. Asimismo, quisiera agradecer a  los jurados de este trabajo; el Profesor Jesús Portilla de la Universidad de San Francisco de Quito, y  al  Capitán  Julián  Reyna  de  la  Comisión  Colombiana  del  Océano.  Sus  pertinentes  correcciones  fueron muy valiosas para consolidar la versión final de esta tesis.  A  mi  Mamá,  mi  Papá,  Sebastián,  María  Antonia  y  Mónica,  mi  abuela,  mi  abuelo,  y  a  toda  mi  familias  gracias  por  todo  el  amor  y  el  apoyo  constante  e  incondicional,  por  aguantarme  en  mis  múltiples crisis y ayudarme a superarlas. Me siento supremamente afortunado de pertenecer a la  una familia con ustedes. A Lina, gracias por todo el amor,  por estar ahí siempre, y por convertirse  en la persona tan especial que es para mí. A las personas que me brindan su amistad cercana, les  agradezco por hacerme merecedor de tal honor y fortuna.  Sin duda, lo mejor que obtuve de mi experiencia en el posgrado fueron los vínculos con la gente  que hace parte de él, y a quien hicieron que mi paso por allí valiera la pena. Quiero agradecer por  todos  los  momentos  vividos  a  Juan  Camilo  Castro  Juan  David  Franco,  Ricardo  Román,  Alejandra  Ochoa,  José  Daniel  Vélez,  Alejandra  Carmona,  Luis  Gabriel  Molina,  Oscar  Álvarez,  Carolina  Ortiz,  Juan David Osorio, Juan Camilo Martínez, Julio César Mesa, Cristian Ortiz, Juan Camilo Pérez, Jaime  Carmona, Daniel Largo, Nicolás Velásquez, Diego Patiño, Maria Isabel Marín, y a quienes por olvido  momentáneo y no por falta de gratitud, dejo de mencionar.  No  puedo  dejar  por  fuera  a  las  personas  que  apoyaron  académicamente  para  enriquecer  este  trabajo, entre los que se cuentan Farid Chejne y Gladys Rocío Bernal de la Universidad Nacional,  Raúl Medina de la Universidad de Cantabria, el Fabio Gomez Delgado de la Universidad Javeriana,  el  Capitán  Ricardo  Torres  de  la  Armada  Nacional,  los  ingenieros  Ulpiano  Plaza  y  Germán  Hernandez del IPSE, Rubén Montoya de la Universidad de Medellín y el Capitán Luis Otero y en su  nombre la Dirección General Marítima – DIMAR por permitirme usar la información de las boyas  de oleaje del Caribe.  Quisiera agradecer muy especialmente el apoyo de Pablo Agudelo Restrepo. Sin miedo a exagerar,  me atrevo a decir que esta tesis no hubiera sido una realidad es sin la asesoría, los consejos y las  revisiones  de  Pablo.  Su  labor  fue  tan  pertinente  y  valiosa  que  sentí  como  si  tuviera  un  director  adicional, y me hace quedar corto en palabras de agradecimiento.  Por último, quiero agradecer a la Universidad Nacional de Colombia y al Programa de Becas para  Estudiantes Sobresalientes de Posgrado, que aportó los recursos financieros para la realización de  la investigación.   

Resumen    Isla Fuerte es una isla localizada en el  Caribe Colombiano frente  a las costas de Córdoba. Por su  distancia  al  continente,  la  isla  no  tiene  acceso  a  energía  eléctrica  del  Sistema  de  Transmisión  Nacional, y ésta debe generarse en la isla con fuentes fósiles, lo que tiene altos costos asociados y  se convierte en una barrera para el desarrollo y para la mejora de las condiciones de vida de los  habitantes de la isla. Este estudio busca presentar un esquema de abastecimiento energético para  Isla  Fuerte  basado  en  el  aprovechamiento  del  oleaje,  un  recurso  renovable  que  puede  generar  energía limpia. Debido a la falta de registros para cuantificar el oleaje en la Isla, se propone una  metodología para generar datos sintéticos de oleaje basada en el uso de modelos de generación  de  oleaje  de  tercera  generación,  que  utilizan  batimetrías  y  datos  de  viento  de  reanálisis  como  insumo.  Esta  metodología  permite  conocer  el  recurso  y  sus  variaciones  temporales  y  espaciales,  además de identificar los lugares óptimos para la ubicación de  una eventual planta, y puede ser  replicada para evaluar el potencial en distintos lugares del Caribe. Una vez se generan los registros  sintéticos  de  oleaje  y  se  cuantifica  el  recurso  energético,  se  hace  una  revisión  tecnológica  para  escoger  la  tecnología  de  generación  de  energía  con  el  oleaje  más  adecuada  para  Isla  Fuerte.  Finalmente  se  define  un  esquema  de  abastecimiento  basado  en  la  energía  disponible,  las  demandas de energía de la población, y la infraestructura energética existente.  

Abstract    Isla  Fuerte  is  an  island  located  in  the  Colombian  Caribbean,  near  the  coast  of  Cordoba  Department.  Because  of  its  distance  to  the  continent,  the  island  doesn’t  have  access  to  electric  power from the national grid and has to generate its power using fossil fuels, which implies high  costs  and  becomes  a  barrier  for  development  and  for  improving  the  life  conditions  of  the  habitants of the Island. This study strives to present a power supply scheme for the island based in  the  harnessing  of  ocean  waves,  a  clean  and  renewable  resource  which  can  be  used  to  generate  electric  power.  Due  to  the  lack  of  records  to  quantify  the  wave  resource,  a  methodology  is  proposed  to  produce  synthetic  data  using  third  generation  wave  generation  models,  with  bathymetries  and  reanalysis  winds  as  inputs.  The  methodology  permits  to  analyze  the  wave  resource and its variations in time and space, to identify the best places for a wave farm, and it can  be replicated to evaluate the wave potential in other places in the Caribbean Sea. Once the wave  records are generated and the wave power resource is quantified, a technological revision is made  to  choose  the  most  adequate  wave  power  conversion  device  for  Isla  Fuerte.  Finally,  a  supply  scheme  is  defined  based  on  the  available  power,  the  power  demand  of  the  population  and  the  existing power infrastructure on the island.  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

Contenido  Índice de Figuras ................................................................................................................................. 5  Índice de Tablas ................................................................................................................................... 8  1. 

Introducción ................................................................................................................................ 9  Las energías renovables y las Zonas No Interconectadas ............................................................... 9  La energía del oleaje e Isla Fuerte ................................................................................................. 10  Contenido del presente trabajo .................................................................................................... 10 

2. 

Zona de Estudio ......................................................................................................................... 12  2.1. 

Localización ....................................................................................................................... 12 

2.2. 

Geología y Geomorfología ................................................................................................. 13 

2.3. 

Clima .................................................................................................................................. 14 

2.3.1. 

Hidrometeorología .................................................................................................... 14 

2.3.2. 

Radiación Solar .......................................................................................................... 16 

2.1.1. 

Precipitación .............................................................................................................. 16 

2.2. 

2.2.1. 

Oleaje ........................................................................................................................ 17 

2.2.2. 

Mareas ....................................................................................................................... 19 

2.2.3. 

Corrientes .................................................................................................................. 19 

2.2.4. 

Huracanes .................................................................................................................. 20 

2.3. 

3. 

Ecología ............................................................................................................................. 21 

2.3.1. 

Vegetación ................................................................................................................. 21 

2.3.2. 

Arrecifes Coralinos .................................................................................................... 22 

2.4. 

Población ........................................................................................................................... 23 

2.5. 

Infraestructura .................................................................................................................. 24 

Generalidades sobre la Energía Marina .................................................................................... 26  3.1. 

Fuentes de Energía Marina ............................................................................................... 26 

3.1.1. 

Oleaje ........................................................................................................................ 26 

3.1.2. 

Marea ........................................................................................................................ 28 

3.1.3. 

Corrientes oceánicas ................................................................................................. 30 

3.1.4. 

Gradientes Térmicos ................................................................................................. 30 

3.1.5. 

Gradientes Salinos ..................................................................................................... 31 

1  

Oceanografía ..................................................................................................................... 17 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

4. 

3.2. 

La energía marina en Colombia ......................................................................................... 32 

3.3. 

La energía marina en Isla Fuerte ....................................................................................... 33 

3.4. 

Energía del Oleaje ............................................................................................................. 33 

3.5. 

Uso de modelos numéricos para el cálculo de la potencia ............................................... 37 

Caracterización de la Potencia del Oleaje ................................................................................. 39  4.1. 

4.1.1. 

Batimetrías ................................................................................................................ 39 

4.1.2. 

Datos de Viento ......................................................................................................... 39 

4.1.1. 

Boyas de Oleaje ......................................................................................................... 41 

4.2. 

El Modelo SWAN ............................................................................................................... 41 

4.3. 

Metodología de Caracterización ....................................................................................... 43 

4.4. 

Modelación Numérica (Paso 1) ......................................................................................... 45 

4.4.1. 

Consideraciones de Modelación ............................................................................... 45 

4.4.2. 

Mallas Anidadas ........................................................................................................ 46 

4.4.3. 

Resultados del Modelo .............................................................................................. 49 

4.5. 

Corrección de datos (Paso 2) ............................................................................................. 49 

4.5.1. 

Comparación Boya Barranquilla ................................................................................ 50 

4.5.2. 

Comparación Boya Puerto Bolívar ............................................................................ 59 

4.5.3. 

Ecuaciones de corrección escogidas ......................................................................... 67 

4.6. 

Mapas Energéticos (Paso 3) .............................................................................................. 68 

4.6.1. 

Escogencia de Casos para la generación de Mapas Energéticos............................... 69 

4.6.2. 

Resultados ................................................................................................................. 72 

4.7. 

Escogencia Sitios de Generación (Paso 4) ......................................................................... 73 

4.7.1. 

Criterios de selección de sitio .................................................................................... 74 

4.7.2. 

Identificación del Sitio de Generación ...................................................................... 74 

4.8. 

Análisis de la serie de oleaje en el sitio de generación (Paso 5) ....................................... 76 

4.8.1. 

Rosa de Oleaje ........................................................................................................... 76 

4.8.2. 

Histogramas ............................................................................................................... 76 

4.8.3. 

Probabilidad Conjunta ............................................................................................... 78 

4.8.4. 

Variabilidad Temporal de la Serie ............................................................................. 78 

4.9. 

2  

Fuentes de Información .................................................................................................... 39 

Potencia ............................................................................................................................. 80 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

5. 

4.9.1. 

Corrección de la Potencia .......................................................................................... 80 

4.9.2. 

Potencia ..................................................................................................................... 82 

Revisión Tecnológica ................................................................................................................. 86  5.1. 

5.1.1. 

Atenuadores .............................................................................................................. 86 

5.1.2. 

Absorbedores Puntuales ........................................................................................... 87 

5.1.3. 

Columnas de Agua Oscilante – OWC ......................................................................... 88 

5.1.4. 

Placas Oscilantes ....................................................................................................... 89 

5.1.5. 

Dispositivos de Rebose .............................................................................................. 89 

5.1.6. 

Presiones sumergidas ................................................................................................ 90 

5.1.7. 

Otros .......................................................................................................................... 90 

5.2. 

Tecnologías Existentes ...................................................................................................... 91 

5.3. 

Criterios de Selección ........................................................................................................ 91 

5.4. 

Tecnologías Identificadas .................................................................................................. 92 

5.4.1. 

CETO Wave Energy .................................................................................................... 92 

5.4.2. 

Dennis Auld Turbine .................................................................................................. 94 

5.4.3. 

Wave Roller ............................................................................................................... 96 

5.4.4. 

Swell Fuel ‐ Lever Operated Pivoting Float with Generator ...................................... 97 

5.4.5. 

Aqua Marine Power – Oyster .................................................................................... 99 

5.4.6. 

Seabased Wave Energy Converter .......................................................................... 100 

5.4.7. 

Wave Plane .............................................................................................................. 102 

5.5.  6. 

Escogencia de la tecnología óptima ................................................................................ 104 

Propuesta de Solución Energética ........................................................................................... 108  6.1. 

Descripción de la infraestructura existente .................................................................... 108 

6.2. 

Demanda de la Isla .......................................................................................................... 109 

6.3. 

Oferta de Energía del Oleaje ........................................................................................... 110 

6.3.1. 

Generación de Energía usando el Seabased ........................................................... 110 

6.3.2. 

Escogencia de la Potencia Nominal ......................................................................... 111 

6.3.3. 

Energía Generada .................................................................................................... 113 

6.4. 

Articulación con la infraestructura existente .................................................................. 114 

6.5. 

Posibles Impactos Ambientales ....................................................................................... 117 

3  

Tipos de Dispositivos ......................................................................................................... 86 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

7. 

8. 

6.5.1. 

Impacto del cableado submarino ............................................................................ 118 

6.5.2. 

Impacto de la Infraestructura de generación .......................................................... 118 

6.5.3. 

Otros impactos posibles .......................................................................................... 119 

Discusión, Conclusiones y Líneas futuras de Investigación ..................................................... 121  7.1. 

Modelación numérica ..................................................................................................... 122 

7.2. 

Escogencia sitios generación ........................................................................................... 123 

7.3. 

Tecnologías ...................................................................................................................... 123 

7.4. 

Normatividad ................................................................................................................... 124 

7.5. 

Impactos Ambientales ..................................................................................................... 124 

Bibliografía .............................................................................................................................. 126 

 

 

 

4  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

Índice de Figuras    Figura 2‐1 Localización (IGAC, 2002) y vista aérea deIsla Fuerte (Google Earth) ............................. 12  Figura 2‐2 Geomorfología de la Isla (Díaz et al., 2000) ..................................................................... 14  Figura 2‐3 Posición de la ZCIT, dirección de los vientos e isobatas durante a) épocas secas b)  épocas húmedas c) épocas de transición. Tomado de (Quiceno, 2008) adaptado de (Pujos et al.,  1986) ................................................................................................................................................. 15  Figura 2‐4 Radiación Solar Promedio – Estación la Doctrina ............................................................ 16  Figura 2‐5 Promedios de alturas de ola trimestrales en el periodo 1968 – 2008. a) DEF b) MAM  c)JJA d) SON. Adaptado de (Mesa, 2009) .......................................................................................... 18  Figura 2‐6  Rosa de oleaje para la coordenada 10° N,76° W. (Mesa, 2009) ..................................... 19  Figura 2‐7  Velocidad de las corrientes superficiales durante a) épocas secas b) épocas. Tomado de  (Quiceno, 2008) adaptado de (Pujos et al., 1986) ............................................................................ 20  Figura 2‐8 Trayectoria de huracanes en el Caribe Colombiano (Martínez, 2010) ............................ 21  Figura 2‐9 Deforestación del Mangle en la zona Norte de la Isla (Abril 2008) ................................. 22  Figura 2‐10 Unidades ecológicas submarinas de Isla Fuerte (Díaz et al., 2000) ............................... 23  Figura 2‐11 Generación Privada en la Isla: Plantas diesel (derecha) paneles solares (izquierda) .... 25  Figura 3‐1 Generación de Oleaje (CA‐OE, 2006) ............................................................................... 26  Figura 3‐2 Energía presente en el oleaje(CA‐OE, 2006) .................................................................... 27  Figura 3‐3 Oleaje de Sea y Swell (Holthuijsen, 2007) ........................................................................ 28  Figura 3‐4 Central Eléctrica de Marea Le Rance ............................................................................... 29  Figura 3‐5 Perfil de temperatura del océano .................................................................................... 31  Figura 3‐6 Superposición de ondas lineales que componen el oleaje (IH Cantabria, 2009) ............. 34  Figura 3‐7 Espectro bidimensional. (IH Cantabria, 2009) ................................................................. 35  Figura 3‐8 Espectro de Energía unidimensional ................................................................................ 36  Figura 4‐1 Vientos del Reanálisis NARR en m/s  durante a) época seca b) época húmeda c) Huracán  Emily – Julio 2005 .............................................................................................................................. 41  Figura 4‐3 Batimetrías de las mallas computacionales ..................................................................... 49  Figura 4‐4 Ubicación de las boyas de la DIMAR (CCCP, 2009) .......................................................... 50  Figura 4‐5 Comparación de Hs – Modelo SWAN y Registro Boya Barranquilla ................................ 51  Figura 4‐6 Ajuste Hs Modelo SWAN vs Registro Boya Barranquilla .................................................. 52  Figura 4‐7 Comparación de Tp – Modelo SWAN y Registro Boya Barranquilla ................................ 52  Figura 4‐8 Ajuste Tp Modelo SWAN vs Registro Boya Barranquilla .................................................. 53  Figura 4‐9 Comparación de Direcciones – Modelo SWAN y Registro Boya Barranquilla ................. 54  Figura 4‐10 Ajuste de Direcciones – Modelo SWAN y Registro Boya Barranquilla ........................... 54  Figura 4‐11 Transformadas de Fourier de las series de Hs para el modelo SWAN y la boya de  Barranquilla ....................................................................................................................................... 55  Figura 4‐12 Transformadas de Fourier de las series de Tp para el modelo SWAN y la boya de  Barranquilla ....................................................................................................................................... 56  Figura 4‐13 Ajuste de Hs a la distribución Gumbel – SWAN y Boya Barranquilla ............................. 57 

5  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Figura 4‐14 Ajuste de Tp a la distribución Gumbel ‐ SWAN y Boya Barranquilla .............................. 57  Figura 4‐15 Corrección de Hs por medio de ajuste de cuantiles‐ Barranquilla ................................. 58  Figura 4‐16 Corrección de Tp por medio de ajuste de cuantiles‐ Barranquilla ................................. 59  Figura 4‐17 Comparación de Hs – Modelo SWAN y Registro Boya Puerto Bolívar ........................... 60  Figura 4‐18 Ajuste Hs Modelo SWAN vs Registro Boya Puerto Bolívar ............................................ 60  Figura 4‐19 Comparación de Tp – Modelo SWAN y Registro Boya Puerto Bolívar ........................... 61  Figura 4‐20 Ajuste Tp Modelo SWAN vs Registro Boya Puerto Bolívar ............................................ 62  Figura 4‐21 Comparación de Dir– Modelo SWAN y Registro Boya Puerto Bolívar ........................... 62  Figura 4‐22 Ajuste Dir Modelo SWAN vs Registro Boya Puerto Bolívar ............................................ 63  Figura 4‐23 Espectros de Fourier de las series de Hs para el modelo SWAN y la boya de Puerto  Bolívar ............................................................................................................................................... 63  Figura 4‐24 Espectros de Fourier de las series de Tp para el modelo SWAN y la boya de Puerto  Bolívar ............................................................................................................................................... 64  Figura 4‐25 Ajuste de Hs a la distribución Gumbel ‐ SWAN y Boya Puerto Bolívar .......................... 65  Figura 4‐26 Ajuste de Tp a la distribución Gumbel ‐ SWAN y Boya Puerto Bolívar .......................... 65  Figura 4‐27 Corrección de Hs por medio de ajuste de cuantiles –Puerto Bolívar ............................. 66  Figura 4‐28 Corección de Tp por medio de ajuste de cuantiles –Puerto Bolívar .............................. 67  Figura 4‐29 Zonificación de la corrección. Fuente imagen: Google Earth ........................................ 68  Figura 4‐30 Malla Anidada No. 4 ....................................................................................................... 69  Figura 4‐31 Probabilidad Conjunta Hs y Tp ....................................................................................... 70  Figura 4‐32 Percentiles de Potencia .................................................................................................. 71  Figura 4‐33 Algunos de los mapas energéticos ................................................................................. 73  Figura 4‐34 Batimetría de la isla y localización planta de generación .............................................. 75  Figura 4‐35 Ubicación Aproximada de la estructura de generación con respceto a los corales ...... 75  Figura 4‐36 Rosa de Oleaje para Hs en el Sitio de Generación ......................................................... 76  Figura 4‐37 Histograma de Hs en el sitio de generación ................................................................... 77  Figura 4‐38 Histograma de Tp en el sitio de generación. .................................................................. 77  Figura 4‐39 Probabilidad Conjunta Hs y Tp ....................................................................................... 78  Figura 4‐40 Espectro de Frecuencias para Hs – Serie horaria ........................................................... 79  Figura 4‐41 Espectro de Potencias para Hs– Serie mensual ............................................................. 79  Figura 4‐42 Comparación Cálculos de Potencia ................................................................................ 82  Figura 4‐43 Ciclo Anual del Ciclo Diurno de la Potencia y Direcciones Promedio ............................ 83  Figura 4‐44 Potencia Omnidireccional Mensual Promedio .............................................................. 84  Figura 4‐45 Percentiles de Potencia .................................................................................................. 84  Figura 5‐1 Esquema de funcionamiento de un atenuador y dipositivo Pelamis (PelamisWave, 2010)  ........................................................................................................................................................... 86  Figura 5‐2 Pelamis Wave Power(PelamisWave, 2010) ...................................................................... 87  Figura 5‐3 Esquema de funcionamiento absorberdor puntual ......................................................... 87  Figura 5‐4 Oscilador Puntual OPT ..................................................................................................... 88  Figura 5‐5 Esquema de funcionamiento OWC.(Falcao, 2010) .......................................................... 88  Figura 5‐6 Derecha: Pico OWC en Portugal. Izquierda: Mighty Whale en Japón .............................. 89 

6  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Figura 5‐7 Esquema Placa Oscilante.................................................................................................. 89  Figura 5‐8 Esquema de funcionamiento de dispositivos de rebose ................................................. 90  Figura 5‐9 Esquema dispostivo de presiones sumergidas (Falcao, 2010) ......................................... 90  Figura 5‐10 CETO Wave Energy  y esquema de funcionamiento ...................................................... 92  Figura 5‐11 Dennis‐Auld Turbine ...................................................................................................... 94  Figura 5‐12 Esquema de funcionamiento Dennis‐Auld Turbine ....................................................... 95  Figura 5‐13 Wave Roller y esquema de operación ........................................................................... 96  Figura 5‐14 Swell Fuel ‐ Lever Operated Pivoting Float y esquema de funcionamiento .................. 98  Figura 5‐15 Aquamarine Oyster ........................................................................................................ 99  Figura 5‐16 Seabased Wave Energy Converter ............................................................................... 101  Figura 5‐17 Wave Plane y esquema ................................................................................................ 103  Figura 5‐18 Diseño conceptual Seabased (Waters, 2008) .............................................................. 106  Figura 5‐19 Generación de corriente alterna (der) y generación de corriente directa (izq). (Waters,  2008) ............................................................................................................................................... 107  Figura 6‐1 Seguidor Solar de 25 kW instalado en Isla Fuerte .......................................................... 109  Figura 6‐2 Factor de Planta y potencia promedio según la potencia nominal ............................... 112  Figura 6‐3 Generación anual de cada dispositivo según la potencia nominal ................................ 113  Figura 6‐4 Generación Mensual por dispositivo ............................................................................. 114  Figura 6‐5 Costos y Longitudes de Arreglo requeridas según la capacidad instala adicional ......... 115  Figura 6‐6 Potencial de generación de energía planta GLP que trabaje 12 horas diarias y planta de  oleaje ............................................................................................................................................... 116  Figura 6‐7 Oferta de energía de oleaje vs demandas energéticas en el año 2009 ......................... 117  Figura 6‐8 Organismos Marinos habitando el arrecife artificial creado. Tomado de (Waters, 2008)  ......................................................................................................................................................... 119     

 

7  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

Índice de Tablas    Tabla 3‐1 Expresiones potencia del oleaje ........................................................................................ 37  Tabla 4‐1 Características de las Mallas Anidadas .............................................................................. 47  Tabla 4‐2 Características de las boyas. (CCCP, 2009) (NDBC, 2010) ................................................. 50  Tabla 4‐3Casos Escogidos de acuerdo con la probabilidad conjunta ................................................ 70  Tabla 4‐4 Casos Escogidos correspondientes a los percentiles de potencia .................................... 71  Tabla 4‐5 Casos escogidos usando el algoritmo k‐means ................................................................. 72  Tabla 5‐1 Generación de CETO Wave Energy .................................................................................... 94  Tabla 5‐2 Generación Dennis Auld Turbine ...................................................................................... 96  Tabla 5‐3 Tabla resumen tecnologías.............................................................................................. 104  Tabla 6‐1 Costos de la energía para los habitantes de la Isla .......................................................... 108  Tabla 6‐2 Consumos energéticos mensuales 2009 Fuente SUI ....................................................... 110  Tabla 6‐3 Correcciones a la energía generada ................................................................................ 113  Tabla 6‐4 Energía mensual promedio generada por cada dispositivo ............................................ 114  Tabla 6‐5 Ahorro por el uso de energía de Olaje ............................................................................ 117     

 

8  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

1. Introducción  En  los  últimos  años  ha  existido  una  creciente  preocupación  por  el  problema  del  calentamiento  global al punto que este pasó de ser un tema estrictamente científico para convertirse en un tema  de  discusión  en  distintos  ámbitos  sociales,  políticos  y  académicos.  Este  fenómeno  tiene  repercusiones en las acciones de los gobiernos y en las conciencias de los individuos que buscan  reducir emisiones en distintos frentes, al mismo tiempo que se busca el desarrollo y la creación de  riqueza.  Conciliar  el  crecimiento  económico  con  la  protección  del  ambiente  no  es  algo  sencillo.  Hacerlo  implica  voluntad  política,  desarrollo  tecnológico,  educación  y  reeducación  de  comunidades, creatividad e innovación para ingeniar maneras de producir de manera sostenible.  Esta  es  una  respuesta  frente  al  llamado  “bussiness  as  usual”,  un  esquema  económico  que  considera insignificantes impactos ambientales y sociales frente a los beneficios por utilidades, y  que es el principal responsable de la crisis ambiental que cruza el planeta   Una de las alternativas para reducir emisiones al tiempo que se crea desarrollo sostenible en las  comunidades es el uso de energías limpias y renovables que desplacen el uso de los combustibles  fósiles(UNFCCC, 1997). Esta posibilidad de reducción de emisiones, sumada al hecho que el precio  del  petróleo  alcanzó  niveles  históricos  en  el  2008  y  está  sujeto  a  grandes  variaciones  que  dependen de especulación financiera y factores geopolíticos, ha hecho que se encaminen grandes  esfuerzos para el desarrollo, investigación e implementación de tecnologías de energía limpia, que  puedan ser usadas de forma local por las comunidades o que generen energía para una red con  recursos naturales renovables y que no tengan efectos nocivos sobre el medio ambiente. 

Las energías renovables y las Zonas No Interconectadas   Tradicionalmente,  las  pequeñas  comunidades  no  interconectadas  han  tratado  de  suplir  sus  necesidades  energéticas  mediante  el  uso  de  generadores  con  fuentes  fósiles,  los  cuales  tienen  altos  costos  de  combustibles  y  de  transporte  asociados  su  funcionamiento.  Estos  costos  generalmente  son  muy  altos  para  comunidades  con  pocos  recursos  económicos,  y  consecuentemente, el acceso a la energía eléctrica es muy limitado. Esta limitación imposibilita el  mejoramiento  de  las  condiciones  económicas,  lo  cual  resulta  en  una  mayor  imposibilidad  de  acceder  a  ellos,  creando  un  ciclo  negativo  que  afecta  la  calidad  de  vida  y  los  ingresos  de  la  comunidad. Como consecuencias negativas de este ciclo se cuentan el detrimento de la calidad de  los servicios básicos de educación y salud para una población vulnerable, y la  falta de iluminación  en las horas de la noche, lo que limita y dificulta las actividades humanas y representa una barrera  significativa al desarrollo (Peon et al., 2004)   Esta  tesis  presenta  un  estudio  acerca  del  posible  aprovechamiento  de  le  energía  presente  en  el  oleaje  para  el  abastecimiento  de  energía  eléctrica  a  la  población  que  habita  en  Isla  Fuerte,  Corregimiento  de  Cartagena  de  Indias.  Isla  Fuerte  es  considerada  una  Zona No  Interconectada  – ZNI‐ debido a que se encuentre a 11 kilómetros del continente y a que llevar energía eléctrica del  Sistema de Transmisión Nacional no es viable desde el punto de vista económico. Por tal razón, el  encargado  de  suministrar  de  energía  a  la  Isla  es  el  Instituto  de  Planeación  de  Soluciones 

9  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Energéticas para Zonas no Interconectadas –IPSE, dependencia del Ministerio de Minas y Energía.  Según  su  misión  y  dentro  de  sus  planes  de  energetización(IPSE,  2006)  el  IPSE  ha  promovido  la  instalación de una planta de GLP y de seguidores solares para abastecer a la población.  

La energía del oleaje e Isla Fuerte  Se cree que el oleaje en Isla Fuerte puede representar un recurso de abastecimiento importante  para la Isla, que complementará en la infraestructura de generación con gas licuado de petróleo ‐ GLP y seguidores solares instalada por el IPSE. De esta manera, se tendrá un sistema híbrido que  pueda  prestar  un  servicio  de  energía  en  donde  se  combine  el  uso  de  un  recurso  energético  renovable como la energía del oleaje y la energía solar con la confiablidad del combustible fósil de  la plante de GLP.  La  implementación  y  un  eventual  aprovechamiento  de  la  energía  del  oleaje en  la  Isla  no es  algo  sencillo. Existen muchas barreras para el uso de la energía del oleaje, que van desde la necesidad  de  mayores  avances  tecnológico  y  las  barreras  económicas  hasta  la  falta  de  información  oceanográfica confiable. Para el caso de Colombia es muy difícil saber cuál es la energía disponible  en  el  oleaje,  debido  principalmente  a  la  falta  de  información  oceanográfica  y  meteorológica,  ya  sea por falta física de instrumentación o por lo difícil y costoso que puede ser adquirir registros de  series  a  buena  resolución  temporal  y  con  duraciones  lo  suficientemente  largas  para  realizar  un  análisis  estadístico  válido.  La  presente  investigación  ofrece  un  enfoque  para  obtener  datos  por  medio  de  la  simulación,  basado  en  el  uso  de  fuentes  de  datos  libres,  utilización  de  modelos  abiertos de propagación de oleaje y posterior corrección con mediciones de campo. Aunque este  estudio se sitúa en Isla Fuerte, si se usa el mismo esquema se pueden obtener series artificiales  para cualquier lugar del Caribe colombiano y de otros países caribeños.  La  energía  del  oleaje  es  todavía  una  promesa  de  una  fuente  energética  confiable,  abundante  y  aprovechable por las comunidades. Existen desarrollos tecnológicos acelerados en diversos sitios a  lo largo del planeta, las cuales deberán rendir frutos en los años venideros. Esta tesis representa  uno  de  los  primeros  peldaños  para  hacer  posible  en  Colombia  el  futuro  aprovechamiento,  de  forma  limpia  y  ambientalmente  sostenible,  de  la  energía  presente  en  el  océano  para  mejorar  la  calidad de vida de los habitantes del país.  

Contenido del presente trabajo  Este trabajo está divido en 7 capítulos, enfocados a desarrollar el objetivo principal de calcular el  potencial  energético  del  oleaje  en  la  isla,  y  proponer  un  esquema  de  abastecimiento  basado  en  dicho potencial.  El  capítulo  2  hace  una  descripción  de  la  zona  de  estudio,  donde  se  tocan  temas  climáticos,  geográficos, oceanográficos, bióticos, y sociales. De esta forma se tiene una base sobre la que se  puede  trabajar  y  proponer  soluciones  que  no  alteren  los  ecosistemas  y  la  forma  de  vida  de  la  población negativamente. 

10  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  El capítulo 3 describe las distintas formas que hay para generar energía usando los océanos, por  medio  del  aprovechamiento  de  5  variables  oceanográficas:  Oleaje,  marea,  corrientes,  gradientes  térmicos y gradientes de salinidad. En este capítulo se explica por qué el oleaje es la opción más  viable para aprovechar la energía marina en Isla Fuerte, y se habla en detalle sobre los desarrollos  históricos, los distintos enfoques, y las ecuaciones gobernantes de este tipo de energía.  El  capítulo  4  explica  el  procedimiento  que  se  hace  para  poder  contar  con  una  serie  de  oleaje  confiable  en  cercanías  de  la  Isla.  Esta  serie  se  obtiene  usando  datos  de  viento  en  el  Caribe  provenientes  de modelos de reanálisis, que se usan como insumos para un modelo de generación  de  oleaje  de  tercera  generación.  Las  series  son  calibradas  usando  instrumentación  existente  en  sitios  del  litoral  Caribe  Colombiano.  Una  vez  se  cuenta  con  estas  series,  se  hace  una  caracterización del clima marítimo de la zona, y se cuantifica la energía presente en el oleaje para  distintas escalas temporales.  El  capítulo  5  explora  las  tecnologías  existentes  para  generación  con  oleaje,  y  allí  se  escogen  y  describen algunas que podrían utilizarse en la Isla. En este capítulo se hace una discusión acerca  de cuál sería la tecnología idónea en la isla entre las escogidas, y se escoge  una tecnología para  usarse en el sistema de abastecimiento.  En el capítulo 6 se estudia la infraestructura existente de generación de la Isla, y la forma como  esta  cubre  la  demanda  de  la  población.  Allí  se  propone  un  sistema  de  complemento  al  sistema  instalado  por  el  IPSE,  usando  la  energía  que  sería  generado  por  la  tecnología  escogida  en  el  capítulo 5 y se discuten los posibles impactos ambientales.  Finalmente,  en  el  capítulo  7  se  presentan  las  conclusiones  de  esta  tesis,  se  hace  una  discusión  sobre  los  resultados  encontrados  en  las  distintas  etapas  y  se  proponen  líneas  futuras  de  investigación.   

 

11  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

2. Zona de Estudio  Cuando quiere generarse energía para una población, no es suficiente con caracterizar el recurso  energético  completamente  y  hacer  un  análisis  técnico.  Es  quizás  más  importante  entender  las  distintas características geográficas, climáticas, físicas, bióticas, ambientales y sociales de la zona  en  donde  se  ubicaría  el  eventual  proyecto.  Tener  en  cuenta  estas  características  a  la  hora  de  proponer  un  proyecto  implica  se  minimizarán  los  eventuales  impactos  negativos  sobre  el  medio  ambiente  y  la  población.  De  esta  manera,  el  desarrollo  que  se  crea  estará  articulado  con  el  entorno en el cual se ubica y se puede considerar sostenible ya que mejora las condiciones de vida  mientras se protege el medio ambiente.  Por su relevancia para el presente estudio y para generar un entendimiento del entorno enfocado  a  proponer  una  solución  de  abastecimiento  energético  apto  para  la  isla,  en  este  capítulo  se  describen algunas de las características de Isla Fuerte. 

2.1.Localización   Isla Fuerte es una isla del Caribe Colombiano (9°23’11’’ N, 76°10’5’’ W) ubicada frente a la costa de  Córdoba al oeste del Delta de Tinajones y al Norte de la Ensenada la Rada (Bahía de Moñitos). La  isla tiene un área de 3.23 km2, está ubicada a 11 kilómetros del continente(Anderson, 1976) y la  población continental más cercana es un pequeño pueblo conocido como Paso Nuevo. La Isla hace  parte del complejo arrecifal de Isla Fuerte, Bajo Bushnell y Bajo Burbujas. Aunque geográficamente  la isla se ubica al frente del Departamento de Córdoba, políticamente pertenece al Departamento  de Bolívar, al ser un corregimiento de la ciudad de Cartagena de Indias.  La  Isla  tiene  una  población  permanente    de  alrededor  de  2000 personas  que  puede  doblarse  en  épocas de vacaciones, debido a la llegada de turistas. La isla no cuenta con energía eléctrica del  sistema  de  transmisión  nacional  STN,  y  por  tanto  es  considerada  una  Zona  no  Interconectada  ZNI(IPSE, 2006). 

  Figura 2.1 Localización (IGAC, 2002) y vista aérea deIsla Fuerte (Google Earth) 

12  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

2.2.Geología y Geomorfología  Hay dos hipótesis que explican el origen geológico de Isla Fuerte. La primera plantea que la Isla es  el resultado de un arrecife coralino que se formó en un bajo cuando el nivel del mar estaba más  alto. Al bajar el nivel del mar en el cuaternario, los corales quedaron expuestos a la atmósfera y  posteriormente se fosilizaron formando la isla. (Anderson, 1976) La segunda hipótesis le otorga a  la isla un origen diapírico, característica de esta Zona del Caribe colombiano, lo que genera unas  geoformas  características  como  lo  son  los  volcanes  de  lodo.  Estos  domos  volcánicos  pueden  presentarse en el talud, en la plataforma continental y en la línea costera. Cuando estos domos se  generan bajo el agua, son sujetos de la colonización coralina que pueden terminar en la formación  de islotes. (Vernette, 1989)  Las playas de la Isla están formadas principalmente por dos materiales, uno son arenas calcáreas  producto  de  la  desintegración  de  organismos  coralinos,  el  otro  son  arenas  finas  de  origen  continental, presumiblemente de la desembocadura del Río Sinú. También se encuentran arcillas  grises en unos pocos sitios de la Isla y en pocas cantidades, las cuales se presumen que tienen un  origen en  el  volcanismo de lodo del Caribe. La estratigrafía general de la Isla   tiene  una primera  capa  de  suelo  de  0.6  a  1.5  m  de  espesor,  seguida  por  una  capa  de  calizas  coralinas  de  11  m  de  espesor  aproximadamente,  luego  3  metros  de  calizas  alteradas.  En  las  capas  inferiores  hay  un  estrato delgado (>0.5m) de arenas con gran cantidad de carbonatos y en el fondo de la columna se  encuentran un estrato impermeable de arcillas grises con óxidos de hierro que presumiblemente  tiene un espesor bastante grande.(Gomez Rave et al., 2004)  Geomorfológicamente  la  isla  se  caracteriza  por  tener  pendientes  suaves  y  no  presenta  colinas  o  alturas considerables.  Tiene dos terrazas, una se ubica en el centro de la isla y tiene una elevación  de 20 m sobre el nivel del mar corresponde a la primera porción de la isla que emergió. La segunda  está 9 metros  más abajo y bordea el perímetro de la Isla. Ambas terrazas se encuentran inclinadas  hacia  el  oeste.(Anderson,  1976).  En  la  isla  también  se  presentan  cavernas  con  estalactitas  formadas por la disolución del estrato de las calizas coralinas.(Gomez Rave et al., 2004). La Figura  2.2 muestra un mapa geomorfológico de la isla, tomado de (Díaz et al., 2000). 

13  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 2.2 Geomorfología de la Isla (Díaz et al., 2000) 

2.3.Clima  2.3.1. Hidrometeorología  El ciclo anual meteorológico anual es definido por el paso de la Zona de Convergencia Intertropical  ‐ ZCIT, que crea una época seca  que ocurre desde diciembre a abril y una época de lluvias entre  agosto  y  octubre.  El  resto  de  meses  se  consideran  “de  transición”.  Entre  julio  y  agosto  hay  un  periodo seco corto llamado el “Veranillo de San Juan”.  En los meses de diciembre hasta abril, es  decir, en el verano del hemisferio sur, la ZCIT se encuentra hacia Suramérica, entre el Ecuador y los  paralelos y 5° N, lo cual hace que los vientos Alisios del NE se intensifiquen y den como resultado  una  época  seca  y  con  poca  precipitación.  En  la  época  húmeda  y  en  las  épocas  de  transición,  el  verano del hemisferio norte desplaza la ZCIT entre los paralelos 10°N y 12°N ubicándola sobre toda  la  cuenca  Caribe  colombiano.  Esto  implica  un  aumento  considerable  en  la  precipitación,  un  debilitamiento  de  los  Alisios  del  Noreste  y  aumento  sustancial  en  la  humedad(Bernal  et  al., 

14  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

  2006)(Andrade,  2000).  La  Figura  2.3  ilustra  la  distribución  de  vientos  y  presión  de  acuerdo  con  distintas posiciones de la ZCIT. 

  Figura 2.3 Posición de la ZCIT, dirección de los vientos e isobatas durante a) épocas secas b) épocas húmedas c) épocas  de transición. Tomado de (Quiceno, 2008) adaptado de (Pujos et al., 1986) 

En  la  época  seca  y  en  el  veranillo  la  zona  se  encuentra  bajo  la  acción  de  un  chorro  atmosférico  superficial llamado el chorro de San Andrés, proveniente de los Alisios del Este y responsable de  los vientos presentados.  Este chorro se localiza entre la latitud 13°N y 15°N, cuenta con un núcleo  intenso en los 900 hPa, y velocidades máximas de 12 m/s  y en épocas secas (DEF) y mínimas de 6  m/s en épocas húmedas (SON).(Poveda & Mesa, 1999) El paso de la ZCIT intensifica el chorro de  San Andrés en los meses de diciembre a abril, pero en el veranillo la fuerza del chorro se explica  por  una  intensificación  temporal  del  sistema  de  alta  presión  del  Atlántico  Norte  (Bernal  et  al.,  2006).   Además  de  la  variación  estacional  producida  por  el  paso  de  la  ZCIT,  existen  oscilaciones  interestacionales que afectan el clima de la zona. Entre estas se cuentas las ondas tropicales del  este, las cuales tienen una periodicidad de 7 días, y los frentes fríos que se generan en América del  Norte y que llegan al Caribe con una periodicidad de 10 a 14 días. Los efectos combinados de estas  oscilaciones  afectan  los  campos  de  viento  y  presión  y  los  patrones  de  precipitación.  (Andrade,  2000).  En términos de oscilaciones de baja frecuencia, la zona se ve afectada por las ondas de Madden‐ Julian  (30‐60  días)  ,  y  por  el  ENSO,  el  cual  tiene  una  significativa  influencia  en  el  Mar  Caribe  evidenciada  por  cambios  en  la  precipitación  y  en  la  temperatura  superficial  del  agua(Andrade,  2000). Otras oscilaciones que afectan el clima de la región son la Oscilación Decadal del Pacífico  (PDO) y la Oscilación del Atlántico Norte (NAO) (Poveda, 2004). 

15  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  2.3.2. Radiación Solar  Al  ubicarse  en    la  Región  Caribe,  Isla  Fuerte  goza  de  valores  altos  de  radiación  solar,  en  comparación  con  el  resto  del  territorio  Colombiano.  Según  un  estudio  de  radiación  solar  en  Colombia  (Rodriguez  &  Gonzalez,  1992)  el  promedio  anual  de  la  zona  es  de  5.04  kWh/m2/día,  calculado a partir de los de la estación La Doctrina, ubicada en las coordenadas 9°18’ N y ‐75°54’  W  en  el  municipio  de  Lorica,  Córdoba.  Para  el  periodo  1971  a  1980,  los  promedios  de  radiación  global y extraterrestre de la Isla se presentan en la Figura 2.4. 

  Figura 2.4 Radiación Solar Promedio – Estación la Doctrina 

Los  valores  de  radiación  en  el  tope  de  la  atmósfera  son  más  altos  en  los  meses  de  marzo  a  septiembre, obedeciendo a la estación de verano del hemisferio Norte. Sin embargo, los valores  más  altos  de  radiación  en  tierra  se  presentan  en  los  meses  de  diciembre,  enero,  febrero  y  julio.  Esto sugiere que la radiación en la zona es más dependiente de la nubosidad que de la posición  astronómica, ya que los meses con mayores valores corresponden a los meses de la temporada de  verano  de  principios  de  año  y  con  el  llamado  veranillo  de  San  Juan,  los  cual  se  describe  en  la  sección 2.3.1.  Cabe  recalcar  que  Isla  Fuerte  como  tal  debe  gozar  de  valores  un  poco  más  altos  que  los  que  se  registran en esta estación de brillo solar, ya que la distancia de la isla al continente y la acción de  los  vientos  Alisios  evitan  que  se  formen  procesos  microclimáticos  que  ocurren  en  el  continente,  donde las corrientes de aire (Anderson, 1976) que aumentan las nubosidad en horas de la tarde y  fomentan la precipitación.   2.1.1. Precipitación  La precipitación media anual de la zona es de 1366 mm, de acuerdo con los registros de la estación  ubicada  en  San  Bernardo  del  Viento.  Coherentemente  con  lo  expuesto  en  la  sección  2.3.1,  los  meses más lluviosos son aquellos que coinciden con el paso de la ZCIT (mayo a octubre) donde se  tienen valores mayores de precipitación promedio de 150 mm/mes. En los meses secos (diciembre 

16  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  a marzo), se obtienen valores menores a 50 mm/mes, y en los meses de transición entre ambas  estaciones  (abril  y  noviembre),  se  tienen  valores  intermedios  entre  los  mencionados  anteriormente (Gomez Rave et al., 2004). 

2.2.Oceanografía  Como es común en el Caribe Colombiano, la instrumentación oceanográfica es, en el mejor de los  casos, escasa. Por esta razón, la información oceanográfica en una zona como Isla Fuerte, donde la  mayoría  de  actividades  marítimas  son  a  pequeña  escala  y  desarrolladas  en  su  mayoría  por  la  población nativa, es prácticamente inexistente. La información existente describe la región a una  escala espacial más extensa, y no hay datos específicos para la Isla. A continuación se describen las  variables oceanográficas presentes en la zona.  2.2.1. Oleaje   Debido a la escasa instrumentación en el Caribe colombiano, no es fácil determinar con exactitud  las  condiciones  de  oleaje.  Los  datos  existentes  comprenden  una  boya  propiedad  de  la  NOAA  instalada  al  sur  de  Jamaica,  3  boyas  propiedad  de  la  Dirección  General  Marítima  –DIMAR  instaladas en Barranquilla, Puerto Bolívar y Providencia  y datos  de oleaje visual recopilados por  los  barcos  en  ruta.  A  partir  de  los  datos  de  oleaje  visual  se  han  determinado  las  direcciones  predominantes en el Caribe y se ha definido que la altura de ola pasada el 50% del tiempo es de  1.5m(Agudelo Restrepo et al., 2005).  Ante la falta de instrumentación en cercanías de la Isla, un camino interesante para tener datos de  oleaje es el uso de modelos de generación de oleaje de tercera generación, alimentados con datos  de  reanálisis  y  batimetrías.  Tomando  este  camino,  (Mesa,  2009)  usó  los  vientos  del  reanálisis  NCEP–NCAR  como insumos del modelo WaveWatchIII(Tolman, 2002), las cuales fueron calibradas  con datos de oleaje visual y con datos satelitales de las misiones TOPEX‐POSEIDON y JASON‐1, y  generó  series  de  oleaje  en  108  boyas  virtuales  de  40  años  de  duración  a  resolución  horaria,  aportando información valiosa para el clima marítimo del Caribe. La Figura 2.5 muestra las alturas  de ola promedio en el Caribe para distintos trimestres del año, calculadas por (Mesa, 2009). 

17  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

  Figura 2.5 Promedios de alturas de ola trimestrales en el periodo 1968 – 2008. a) DEF b) MAM c)JJA d) SON. Adaptado  de (Mesa, 2009) 

La boya virtual más cercana a Isla Fuerte es aquella ubicada en los 10°N y 76°W. Un análisis a esta  boya muestra que el oleaje viene predominante viene del NE, aunque también se presenta oleaje  desde el N. Desde ambas direcciones llegan oleajes con probabilidades de no excedencia del 75%,  es  decir  hasta  con  1.57  m  de  altura  de  ola  significante  (Figura  2.6).  Así  mismo,  el  valor  de  probabilidad de no excedencia del 50% de la serie es de 1.09m de altura de ola significante.(Mesa,  2009) 

18  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 2.6  Rosa de oleaje para la coordenada 10° N,76° W. (Mesa, 2009) 

Estas  características  corresponden  al  oleaje  en  aguas  profundas.  Para  conocer  las  características  del oleaje en la isla será necesario hacer propagaciones hasta aguas someras y generar series de  datos  ubicadas  en  cercanías  de  la  isla.  Estos  procedimientos  y  los  resultados  obtenidos  serán  explicados en detalle en el Capítulo 4.  2.2.2. Mareas  El mar Caribe tiene un régimen micro mareal, con rangos de variación del nivel del mar entre 10 y  20 cm, y la marea de la zona es dominada por las componentes diurnas y semidiurnas de la  marea  astronómica  (Martínez,  2010)  (Andrade,  2000).  Adicional  a  la  marea  astronómica,  existe  marea  meteorológica  generada  por  procesos  climáticos  del  Mar  Caribe,  la  cual  es  afectada  por  los  huracanes y los mares de leva. Aunque no se conocen bien sus ciclos ocurrencia ni su contribución  a la marea que se presenta, es claro que durante los mares de leva hay ascensos anómalos de los  niveles del mar(Martínez, 2010).  2.2.3. Corrientes  La  isla  está  en  una  zona  de  influencia  de  dos  corrientes,  las  cuales  están  relacionadas  con  los  vientos  presentes  en  la  zona  y  que  inciden  en  la  dispersión  de  los  sedimentos  de  los  ríos  que  desembocan  en  el  Caribe.  Estas  son  la  corriente  del  Caribe,  y  la  contracorriente  de  Panamá.  La  corriente del Caribe es la continuación de las corrientes ecuatoriales del Atlántico, que entran por  las  Antillas  menores,  pasan  por  la  costa  norte  de  Colombia  y  Venezuela,  al  sur  de  las  Antillas  mayores,  y  siguen  la  dirección  de  la  costa  centroamericana  hacia  la  península  de  Yucatán,  para  posteriormente  alimentar  las  aguas  de  la  corriente  del  Golfo  (Andrade,  2000).  Por  su  parte,  la  contracorriente de Panamá es un contraflujo semicontinuo que viaja por el margen continental de  la costa colombiana, y su intensidad varía con el paso de la ZCIT. En la época seca, los Alisios del  NE soplan con mucha fuerza, la contracorriente se debilita, y se vuelve subsuperficial a la altura de  la Guajira. En la época húmeda, la debilitación de los Alisios hace que la circulación del Caribe sea 

19  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  dominada  por  el  giro  ciclónico  de  Panamá‐Colombia,  lo  que  hace  que  la  contracorriente  de  Panamá se fortalezca (Bernal et al., 2006)(Pujos et al., 1986)(Andrade, 2000). La Figura 2.7 ilustra  el comportamiento de las corrientes para distintas épocas del año. 

  Figura 2.7  Velocidad de las corrientes superficiales durante a) épocas secas b) épocas. Tomado de (Quiceno, 2008)  adaptado de (Pujos et al., 1986) 

2.2.4. Huracanes  Al  ubicarse  en  el  Mar  Caribe,  la  zona  de  estudio  tiene  influencia  del  paso  de  los  huracanes  que  ocurren  en  una  temporada  anual  de  Mayo  a  Noviembre.  En  esta  época,  los  Alisios  se  debilitan  creando las condiciones favorables para la formación de estas tormentas, donde hay una elevada  temperatura  de  las  aguas,  la  ausencia  de  fuertes  vientos  cortantes,  interacciones  con  vientos  provenientes del sur, y un gran contenido de humedad que propicia la inestabilidad atmosférica  (Andrade, 2000).  Las regiones de Colombia que se ven más afectadas por el paso de los huracanes son la Guajira y  las  Islas  de  San  Andrés  y  Providencia.  El  resto  del  país  está  relativamente  protegido  debido  a  3  factores: la dirección de los huracanes que es predominantemente hacia el W‐NW, la inclinación  de la costa Caribe Colombiana que hace que el oleaje generado no impacte perpendicularmente a  la costa y la protección que ofrece la Sierra Nevada de Santa Marta, que teóricamente funcionaría  como una escudo natural contra las tormentas, aunque en la práctica no funcione siempre (Figura  2.8).  Desde  el  año  1900 sólo  3  huracanes  han  tocado  tierra  en  Colombia:  Joan  en  1988, Bret  en  1993 y César en 1996 (Ortiz, 2007). 

20  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 2.8 Trayectoria de huracanes en el Caribe Colombiano (Martínez, 2010) 

A pesar que los huracanes pasen lejos de la línea de costa, estos fenómenos generan oleaje de tipo  swell  que  transporta  grandes  cantidades  de  energía  y  puede  propagarse  hasta  el  continente,  donde presentan alturas de ola de 2 a 4 metros, y periodos de 12 a 18 segundos (Ortiz, 2007). Este  oleaje puede ser potencialmente dañino para las poblaciones, ya que puede generar inundaciones  costeras y mares de leva (Martínez, 2010).  Como se observa en la Figura 2.8, no existen registros de pasos de huracanes en las cercanías de la  isla.  Debido  a  su  posición  muy  al  sur  de  las  trayectorias  de  los  huracanes,  y  a  la  protección  del  continente puede afirmar que la isla está segura frente al paso de un ciclón. Sin embargo, el swell  de estos huracanes puede llegar hasta la isla y generar oleaje extremo potencialmente dañino.  

2.3.Ecología  2.3.1. Vegetación  Según  la  clasificación  de  Holdridge,  la  zona  de  vida  donde  se  encuentra  Isla  Fuerte  se  puede  clasificar como un Bosque Seco Tropical (Bs‐T), dominada por árboles y arbustos (Anderson, 1976).  La  población  tiene  ha  llevado  cultivos  de  diversas  clases,  entre  los  que  se  cuentan  plátanos,  mangos,  níspero,  guayabas,  cacao,  mamey  papaya  y  una  importante  cantidad  de  plantas  cocoteras.  La isla tiene presencias de bosques de manglar, los cuales se ubican principalmente en la ciénaga  ubicada  al  norte  de  la  isla  y  en  otros  lugares  costeros  alrededor  de  la  misma  (Figura  2.9).  Lamentablemente, estos manglares están amenazados debido a que la población residente en la  Isla utiliza su madera para diversos fines, entre los que se cuentan la construcción y el uso como  combustible  para  cocción,  ya  que  los  pobladores  no  cuentan  con  otro  recurso  energético  que  la 

21  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  sustituya. La especie más utilizada para cocinar es la Cornocarpus erecta también conocida como  Zaragoza, pero al mismo tiempo es la que menor capacidad de regeneración tiene de las especies  presentes en Isla Fuerte. 

  Figura 2.9 Deforestación del Mangle en la zona Norte de la Isla (Abril 2008) 

A pesar que hay conciencia de los pobladores de la necesidad de proteger el mangle, los bosques  de  manglares  presentes  en  Isla  Fuerte  se  consideran  en  peligro  y  tienen  probabilidades  de  desaparecer en los próximos 15 a 20 años a menos que se tomen acciones de protección, manejo  y  recuperación.  (Sánchez  Montes,  2007)  Cabe  recordar  que  las  zonas  de  manglar  son  de  vital  importancia para la reproducción de varias especies de peces, para la estabilización de las formas  litorales y para la protección costera(Ruiz, 2006).  2.3.2. Arrecifes Coralinos  En  los  alrededores  la  Isla  existen  arrecifes  coralinos  y  praderas  con  pastos  marinos.  Aunque  la  información en Isla Fuerte es escasa y fragmentaria, el INVEMAR (Díaz et al., 2000) ha recopilado  información de estudios y campañas realizadas para realizar una descripción de las áreas coralinas  de la zona.   Al oeste de la isla existe una terraza calcárea formada principalmente llamada Bajo el Bobito de 5  a  7  metros  de  profundidad,  cubierta  principalmente  por  algas  y  costras  de  coral.  Más  al  oeste,  cuando se llega a una vertiente se encuentra una zona con un notorio desarrollo coralino hasta los  30  metros  de  profundidad.  Al  Norte  de  la  isla  también  baja  una  vertiente  donde  se  encuentran  distintas variedades de algas y corales, hasta llegar a los 27 metros de profundidad, donde termina  una  franja  de  coral  de  Agaricia  tenuifoli,  bastante  deteriorada  en  la  actualidad.  Al  Este,  Sur  y  Suroeste  de  la  Isla  se  encuentran  praderas  de  algas  que  rodean  parches  de  coral.  (Díaz  et  al.,  2000). La Figura 2.10 muestra las unidades ecológicas presentes en la Isla. 

22  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 2.10 Unidades ecológicas submarinas de Isla Fuerte (Díaz et al., 2000)  

En  términos  generales,  la  cobertura  de  coral  vivo  en  cercanías  de  la  isla  ha  disminuido  un  25%  desde  1995  hasta  el  2000.  Esto  puede  deberse  a  la  presencia  de  una  fuerte  presión  sobre  el  ecosistema por el aumento de la población y de las actividades marinas, la extracción comercial de  peces y moluscos,  la pesca con dinamita y el paso de barcos a motor a poca profundidad (Díaz et  al., 2000) (Castellanos et al., 2004). Otros procesos como la entrada en operación comercial de la  central hidroeléctrica Urrá I también  han generado stress a las especies coralinas, según ha sido  evidenciado por análisis radiográfico y ultravioleta a capas de coral (Quiceno, 2008) 

2.4.Población  La  población  de  la  isla  es  predominantemente  afro  descendiente,  lo  cual  contrasta  con  la  costa  continental adyacente donde hay más mestizaje. Se estima que en la Isla viven alrededor de 3000 

23  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  personas,  pero  existe  una  importante  población  flotante  que  puede  hacer  crecer  la  población  hasta  5000  personas  en  épocas  turísticas.  La  mayor  parte  de  la  población  vive  en  un  poblado  llamado  Puerto  Limón,  en  la  parte  sur  de  la  Isla.  También  hay  pobladores  con  pequeñas  fincas  agrícolas  regadas  por  la  isla.  Las  cabañas  de  los  turistas  se  encuentran  al  oeste  de  la  Isla  en  el  sector del El Matá, y al este en las cercanías del centro de buceo.   Aunque en general la gente en la Isla tiene buenas condiciones de vida, y si bien la pobreza no se  manifiesta  en  ausencia  de  alimentos,  lo  hace  en  implementos  de  vestimenta,  estado  de  algunas  viviendas  y  en  falta  de  mercancías(Anderson,  1976)  Aunque  esta  situación  ocurre  desde  hace  años,  la  falta  de  inversión  y  educación  y  la  poca  presencia  del  Estado  han  mantenido  a  la  isla  desprovista  de  mecanismos  que  permitan  su  desarrollo  integral(Ortiz  Laverde,  2007).  Las  principales actividades económicas de la Isla son la pesca, la agricultura y el turismo. Vale la pena  recalcar que estas actividades se ven afectadas por la falta de energía eléctrica y de tecnificación. 

2.5.Infraestructura  La Isla tiene una institución educativa, la Institución Educativa de Isla Fuerte INSTEDIF, con niveles  desde  preescolar  hasta  bachillerato  y  donde  se  ofrece  educación  media  técnica  con  énfasis  en  ecoturismo (Castellanos et al., 2004). A pesar de esto, la población tiende a mostrar un desinterés  en  el  estudio  debido  a  que  prefieren  dedicarse  a  otras  actividades  económicas.  Además,  las  herramientas  pedagógicas  y  las  oportunidades  para  que  los  estudiantes  continúen  sus  estudios  afuera de la Isla son escazas.(Ortiz Laverde, 2007).  En términos de saneamiento básico la isla no tiene acueducto ni alcantarillado, y el agua potable  se  obtiene  principalmente  de  la  recolección  de  aguas  lluvias.  En  la  parte  central  de  la  isla  existe  una  laguna  que  también  fue  usada  como  fuente  de  agua,  pero  que  actualmente  presenta  altos  grados  de  eutrofización  y  de  contaminación  en  sus  alrededores  (Ortiz  Laverde,  2007).  Existen  algunos  posos  artesanales  de  donde  los  locales  obtienen  agua  y  que  funcionan  con  bombas  manuales  o  eléctricas.  En  la  isla  se  han  realizado  estudios  de  abastecimiento  con  aguas  subterráneas los cuales recomiendan el uso de bombas manuales, ya que la sobreexplotación de  estos posos con bombas eléctricas puede causar problemas de intrusión salina.(Gomez Rave et al.,  2004)  La  isla  también  presenta  serias  deficiencias  en  los  servicios  y  el  equipamiento  de  la  infraestructura  de  salud,  al  contar  con  un  centro  que  no  llega  a  considerarse  de  Nivel  1  (Castellanos  et  al.,  2004),  lo  que  implica  las  urgencias  deben  ser  tratadas  en  poblados  cercanos  como San Bernardo, Lorica, Moñitos y, en casos de enfermedades más graves, Cartagena.  Tradicionalmente la energía eléctrica se obtenía mediante el uso de plantas generadoras privadas  que operan a diesel. Muy poca gente en la isla tiene acceso a ella debido a los costos asociados a  su  operación,  y  son  usadas  principalmente  por  los  turistas  que  tienen  cabañas  en  la  Isla  (Figura  2.11) o algunos negocios como la discoteca y el centro de buceo. Aparte del costo, estas plantas  generan contaminación atmosférica y auditiva. Algunas viviendas de la zona cuentan con paneles  solares, pero esto era una iniciativa particular de los dueños de las mismas. Por su alto costo, esta  solución tampoco estaba al alcance de la población mayoritaria de la Isla.  

24  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 2.11 Generación Privada en la Isla: Plantas diesel (derecha) paneles solares (izquierda) 

Para solucionar el problema del acceso a la energía eléctrica de la mayoría de habitantes de la Isla,  el Instituto de promoción y planeación de soluciones energéticas para zonas no interconectadas –  IPSE, del Ministerio de Minas y Energía, montó en el 2008 una planta generadora que opera con  gas licuado de petróleo GLP y un sistema de conexión para abastecer a los pobladores de Puerto  Limón. La energía eléctrica es subsidiada por los IPSE para los habitantes de la Isla y funciona en  horas de la noche. En el 2009, el IPSE instaló un seguidor solar piloto para abastecer al centro de  salud y al colegio. Esta planta de generación será descrita con mayor detalle en el Capítulo 6.  Actualmente  el  IPSE  explora  alternativas  para  complementar  la  infraestructura  existente  con  fuentes  renovables,  como  la  eólica,  el  almacenamiento  de  hidrógeno  o  ampliando  su  infraestructura de energía solar. Asimismo, se estudia la posibilidad de instalar una red de gas para  los habitantes de la Isla.   

 

25  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

3. Generalidades sobre la Energía Marina  A  continuación  se  exponen  distintos  temas  para  proveer  un  contexto  que  ayudará  a  entender  muchos  conceptos  que  tienen  que  ver  con  los  fenómenos  oceanográficos  y  la  forma  como  se  puede  generar  energía,  enfocado  en  la  energía  del  oleaje.  Este  capítulo  describe  la  metodología  para  el  análisis  estadístico  del  oleaje,  muestra  las  ecuaciones  que  determinan  la  potencia  presente, y expone experiencias existentes en el mundo de dispositivos de aprovechamiento y de  uso de modelos numéricos para la evaluación de potencial. 

3.1.Fuentes de Energía Marina  En  el  océano  existe  una  gran  cantidad  de  energía,  que  se  manifiesta  en  distintos  fenómenos  oceanográficos,  los  cuales  pueden  ser  aprovechados  para  la  generación  de  energía  eléctrica.    Si  bien,  estas  no  son  las  únicas  maneras  de  sacar  provecho  de  la  energía  oceánica  y  hay  otros  fenómenos  que  podrían  ser  aprovechables,  se  presentan  a  continuación  los  esquemas  más  comunes y en los que hay investigación actual relevante.  3.1.1. Oleaje  El oleaje se define como la oscilación de la superficie del mar, causada por una superposición de  ondas  que  se  propagan  en  determinadas  direcciones.  La  energía  del  oleaje  es,  en  esencia,  una  transformación de la energía solar. El sol es el responsable de crear gradientes de temperatura en  la atmósfera que dan lugar a las corrientes de vientos. Las olas se generan en mar abierto, donde  la acción de arrastre de los vientos crea ondas sobre la superficie cuyas características dependen  de  la  intensidad  y  la  duración  del  viento,  y  sobre  el  espacio  geográfico  (o  “fetch”)  donde  se  generen. Estas ondas, al propagarse por la superficie del agua, es lo que se conoce comúnmente  como las olas. 

  Figura 3.1 Generación de Oleaje (CA‐OE, 2006) 

26  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Desde  su  generación  hasta  su  rompiente  en  la  costa,  las  olas  sufren  distintos  procesos  de  transformación que dependen de la geografía, de la acción del fondo marino, de los vientos locales  y  de  la  interacción  y  superposición  de  ondas.  Para  la  generación  de  energía  se  aprovecha  la  variación de la energía potencial presente en las diferencias de alturas causadas por la oscilación  del  oleaje,  y  la  energía  cinética  presente  en  los  movimientos  orbitales  de  las  partículas  que  son  movidas por la onda que se propaga (Figura 3.2). 

  Figura 3.2 Energía presente en el oleaje(CA‐OE, 2006) 

El  oleaje  puede  ser  de  dos  tipos.  El  oleaje  tipo  swell  (o  mar  de  fondo)    es  un  oleaje  altamente  energético  que  se  genera  por  eventos  de  temporal  zonas  lejanas  y  que  se  propaga  por  largas  distancias.  En  estas  propagaciones,  las  frecuencias  tienen  a  organizarse  por  medio  de  interacciones entre las ondas, y llegan a la costa con una frecuencia predominante. El oleaje tipo  sea  (o  mar  de  mar)  es  aquel  que  se  genera  por  los  vientos  locales  de  una  zona,  y  tiene  mayor  dispersión  en  las  frecuencias  y  direcciones.  La  Figura  3.3  ilustra  los  tipos  de  oleaje  y  muestra  la  forma de sus espectros. 

27  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

  Figura 3.3 Oleaje de Sea y Swell (Holthuijsen, 2007) 

3.1.2. Marea  La  marea  es  la  variación  del  nivel  del  mar  debido  a  fenómenos  de  atracción  gravitacional  de  los  cuerpos  celestes  sobre  las  masas  de  agua,  o  sobre  la  acción  de  campos  de  vientos  y  de  presión  sobre los mismos. Estos forzadores crean una onda larga que se propaga hasta la línea de costa, y  de  acuerdo  con  la  batimetría  local,  resultan  en  una  variación  periódica  del  nivel  del  mar.  Las  variaciones  de  este  nivel  pueden  ser  desde  apenas  30  cm  hasta  15  metros.  De  acuerdo  con  la  fuerza  que  la  genera,  la  marea  puede  definirse  de  dos  tipos,  marea  meteorológica  y  marea  astronómica.  La  marea  astronómica  se  define  como  el  conjunto  de  movimientos  regulares  de  ascenso y descenso del nivel del mar con periodos próximos a las 12 o 24 horas que se producen  por  los  efectos  gravitacionales  del  sistema  tierra‐luna‐sol.  Desde  el  punto  de  vista  práctico,  es  necesario  conocer  el  comportamiento  de  la  onda  de  marea,  especialmente  para  predecir  la  amplitud  de  la  misma  en  un  instante  y  lugar  determinados.  La  marea  meteorológica,  es  la  variación debido a fenómenos climáticos como tormentas, ondas de presión viajeras y campos de  vientos. La marea que se registra en un mareógrafo, es la superposición de ambas.  Dentro del  concepto de generación de energía, la  marea es un  fenómeno altamente  energético,  periódico y confiable que puede ser aprovechado para la generación de energía. . De acuerdo con  los  desarrollos  actuales,  la  energía  de  la  marea  puede  ser  aprovechada  usando  dos  enfoques  distintos, los diques y las corrientes de marea (Grabbe et al., 2009)  El enfoque de los diques contempla la construcción de un dique a la entrada de un estuario o una  bahía,  de  tal  manera  que  se  pueda  almacenar  agua  y  posteriormente  aprovechar  la  caída  que  resulta de la variación del nivel del mar. La tecnología para generación es conocida y probada, y  funciona  de  manera  similar  a  la  que  se  usa  en  generación  hidroeléctrica  a  filo  de  agua.  Existen 

28  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  pocas centrales de este tipo en el mundo, siendo la central de Le Rance en Francia la más grande y  famosa, que cuenta con una capacidad instalada de 240 MW y funciona desde la década de los 60  (Figura  3.4).  Las  otras  centrales  existentes  tienen  capacidades  instaladas  mucho  menores,  y  se  ubican  en  Canadá,  Rusia  y  China.  Estas  centrales  pueden  operarse  para  generar  energía  en  dos  direcciones. Cuando hay marea baja y se genera con el agua almacenada en el estuario, o cuando  hay marea alta, y se aprovecha para generar energía al mismo tiempo que se llena el estuario para  el ciclo siguiente. 

  Figura 3.4 Central Eléctrica de Marea Le Rance 

El enfoque de las corrientes busca aprovechar las corrientes que se crean cuando el agua entra o  sale  de  una  zona  de  estuario  por  acción  de  la  marea.  Estas  corrientes  pueden  ser  aprovechadas  con el uso de turbinas de eje vertical u horizontal que son movidas por la corriente, de una marea  similar a las turbinas eólicas. Este enfoque tiene la ventaja que no se requiere la construcción de  diques ni embalses, por lo que se cree que los impactos ambientales serán minimizados, haciendo  que se genere energía de forma limpia y sin emisión de gases de efecto invernadero.   En  el  uso  de  diques  se  aprovecha  la  energía  potencial  mientras  que  el  uso  de  las  corrientes  de  marea aprovechan la energía cinética de la masa de agua (o lo que se conoce como el prisma de  marea) que entra desde el mar a un determinado estuario o bahía durante la primera fase del ciclo  y  que  sale  durante  la  siguiente.  Según  (Carballo  et  al.,  2009),  la  energía  cinética  de  un  flujo  con  densidad ρ que atraviesa una sección de área A, con una velocidad de flujo V y un coeficiente α  está dada por la Ecuación 3‐1 

29  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

1 2

 

 

Ecuación 3‐1 

Esta es una ecuación similar a la usada para los proyectos de generación de energía eólica, ya que  el principio es el mismo, lo que cambia es el fluido en movimiento. Debido a que las bondades del  la generación de energía por corrientes de marea entre las que se cuenta su alta predictibilidad, la  cantidad  de  energía  presente  en  el  fenómeno,  sus  reducidos  impactos  ambientales  y  su  disponibilidad  en  cercanías  de  centros  poblados,  la  energía  por  corrientes  de  marea  está  experimentando un boom de desarrollo a nivel mundial.  3.1.3. Corrientes oceánicas  Las corrientes oceánicas son movimientos de agua en una dirección determinada que obedecen a  gradientes de temperatura y densidad entre cuerpos de agua, que además son influenciadas s por  la circulación de los vientos y factores como la fuerza de coriolis. Estas corrientes se dan a todas  las escalas, desde la continental hasta la local, y pueden ser usadas para la generación de energía  eléctrica usando principios similares a los de la generación eólica, es decir, haciendo girar un rotor  dotado  de  palas  que  son  movidas  por  la  corrientes  de  agua.  Estos  equipos  deben  permitir  orientarse de acuerdo a la dirección de las corrientes para optimizar su aprovechamiento.  El principal inconveniente del aprovechamiento de este fenómeno es el hecho que regularmente  las corrientes oceánicas estás muy alejadas de zonas pobladas, entonces hay grandísimos costos  asociados a la conexión. Adicionalmente algunas corrientes varían mucho su intensidad y dirección  a los largo del año, por lo que presentan problemas de confiabilidad.  3.1.4. Gradientes Térmicos  Las masas de agua oceánica están expuestas a varios factores que pueden afectar su temperatura.  El más importante de ellos es la radiación solar, que incide sobre las capas superficiales del agua,  haciendo  que  la  temperatura  en  ellas  aumente.  La  temperatura  de  las  aguas  superficiales  contrasta  con  la  de  las  masas  de  agua  del  fondo  del  océano,  que  aparte  de  no  recibir  radiación  solar,  debido  a  la  circulación  oceánica  están  en  interacción  con  aguas  frías  provenientes  del  las  áreas polares.  Las  capas  superficiales  se  mezclan  con  capas  más  profundas  por  la  acción  de  las  corrientes,  el  viento, el oleaje y los temporales. Sin embargo, la mezcla no se hace en toda la profundidad, sino  que alcanza órdenes de cientos de metros a partir de la superficie. A mayores profundidades las  aguas  siguen  teniendo  muy  bajas  temperaturas.  La  interface  entre  las  dos  masas  de  agua  con  temperaturas distintas se conoce como la termoclina. En profundidades menores a la termoclina,  la temperatura del agua decrece proporcionalmente a la profundidad, y al pasar la termoclina la  temperatura se estabiliza y tiene poca variación con la vertical. La Figura 3.5 presenta el perfil de  temperaturas del océano. 

30  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 3.5 Perfil de temperatura del océano  

En  áreas  tropicales,  donde  hay  mucha  radiación  solar  sobre  el  océano,  las  aguas  superficiales  pueden  alcanzar  temperaturas  de  35°C,  mientras  que  las  aguas  profundas  pueden  tener  temperaturas  del  orden  de  18°C.  Esta  diferencia  de  temperatura  puede  usarse  para  generar  energía  eléctrica.  A  pesar  de  que  los  costos  de  generación  son  altos  comparados  con  los  de  las  otras  tecnologías,  esta  puede  volverse  una  opción  de  generación  eléctrica  muy  interesante  para  las zonas tropicales.  La  energía  por  gradientes  térmicos  (OTEC  –  Ocean  Termal  Energy  Conversion)  aprovecha  la  diferencia  de  temperatura  que  hay  entre  las  aguas  superficiales  y  las  aguas  profundas.  Para  generar,  se  bombean  las  aguas  frías  de  zonas  profundas  a  la  superficie  usando  una  tubería,  y  el  gradiente  con  las  aguas  cálidas  de  la  superficie  es  aprovechado  por  un  generador  que  funciona  basado en el principio del motor de calor. Para que el generador pueda funcionar La diferencia de  temperatura entre las aguas profundas y las superficiales debe ser de alrededor de 20° C. Por lo  general, las bajas temperaturas se encuentran en el orden de cientos de metros de profundidad.  Las plantas OTEC gastan gran parte de la energía generada (~30%)  en el bombeo de agua desde  las  profundidades. Por tal razón, lo ideal es encontrar lugares donde la termoclina se encuentre a  la  menor  profundidad  posible  y  así  se  minimicen  los  costos  y  la  energía  consumida  por  la  operación de la bomba. También es deseable que los lugares se encuentren cerca de la costa, de  ahí que los lugares óptimos para este  tipo de plantas son lugares con plataformas continentales  muy pendientes (Torres & Andrade, 2006).  3.1.5. Gradientes Salinos  La energía osmótica es tal vez la más novedosa entre las fuentes de energía marina. Esta funciona  aprovechando los gradientes de salinidad entre el agua salada marina y el agua dulce de los ríos 

31  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  que desembocan al océano. La energía se obtiene mediante el uso de membranas que aumentan  la cabeza de presión del agua. Para realizar el proceso hacerlo el agua salada y el agua dulce sitúan  en dos cámaras separadas por una membrana. Debido a la mayor concentración de elementos en  el agua salada, el agua dulce pasa a la cámara del agua salada por un proceso de osmosis (es el  proceso inverso de la desalinización), incrementando la cabeza de presión en la cámara de agua  salada que equivale a 120 metros de cabeza de altura. El agua a presión es usada posteriormente  para generar energía, usando un generador hidroeléctrico. (Statkraft, 2009) En este momento solo  existe una planta piloto de 4 kW en el mundo ubicada en Tofte, Noruega, y hay muchos esfuerzos  investigativos enfocados en avances en tecnología de membranas que reduzcan los altos costos de  estos materiales y en el uso de diferentes técnicas para aprovechar la diferencia osmótica. 

3.2.La energía marina en Colombia  La energía marina es un tema de investigación de punta en el mundo, y debido a que en Colombia  existen  grandes  potenciales  de  generación  hidroeléctrica  convencional,  y  el  potencial  de  generación marina no es tan evidente, este no ha sido un tema de mucha difusión científica en el  país.  A  pesar  de  esto,  existen  estudios  que  cuantifican  la  energía  marina  en  varios  fenómenos  presentes en Colombia.   Un  grupo  de  investigadores  de  la  Universidad  Pontifica  Javeriana  analizaron  las  corrientes  de  marea en algunos sitios de la costa pacífica colombiana para la generación de energía (Polo et al.,  2008).  En  este  análisis  realizado  con  los  promedios  de  los  niveles  asociados  a  mareas  meteorológicas,  se  cuantificó  en  130  MW  el  potencial  de  generación  con  mareas  en  el  Pacífico  colombiano,  y  se  identificaron  varios  sitios  donde  un  proyecto  de  aprovechamiento  podría  ser  posible. Adicionalmente, se realizó un procedimiento similar en el Caribe, confirmando que no es  posible un proyecto en esta zona debido a la poca velocidad de las corrientes de marea.  Un estudio del dos investigadores de la Armada Nacional (Torres & Andrade, 2006) encontró que  existe un potencial interesante de generación con Gradientes térmicos en la Isla de San Andrés, ya  que  al  suroccidente  de  la  isla,  el  talud  continental  desciende  abruptamente  y  se  encuentran  temperaturas de 20 grados que se mantienen todo el año. Esto hace que la Isla tenga condiciones  oceanográficas  similares  a  las  de  lugares  donde  la  tecnología  se  ha  probado  exitosamente.  En  cuanto  a  oleaje,  este  estudio  se  basó  en  mediciones  por  satélite  y  de  oleaje  visual.  Se  encontró  que  los  sitios  en  Colombia  con  mayores  potenciales  se  encontraban  en  la  Guajira  y  en  los  alrededores  de  Barranquilla.  Los  autores  descalifican  esta  fuente  como  posible  debido  a  que  la  potencia del oleaje no llegaba a los valores que se considera que la hacen comercialmente válida  en otros lugares del mundo (15 kW/m). Sin embargo, todavía hace falta un estudio con series de  oleaje medidas instrumentalmente, que aporte más solidez a las conclusiones. Otro factor que se  debe  revaluar  es  el  límite  de  energía  para  que  un  proyecto  sea  comercial,  que  no  es  necesariamente  una  barrera  fija  ya  que  las  condiciones  en  todos  los  países  y  sus  respectivos  mercados, y la variabilidad de los costos del petróleo hacen que  este límite pueda cambiar para  casos específicos.  

32  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  En  la  actualidad,  no  existen  estudios  que  evalúen  el  potencial  energético  de  las  corrientes  oceánicas ni de los gradientes de salinidad para Colombia. 

3.3.La energía marina en Isla Fuerte  Isla Fuerte, al estar ubicada en el mar Caribe, no tiene una carrera de marea muy importante (ver  sección 2.2.2) y consecuentemente se ubica en una región donde las corrientes de marea no son lo  suficientemente altas  para un posible  aprovechamiento(Polo et  al., 2008). Adicionalmente, en la  isla  no  hay  ríos  de  tamaño  considerable,  entonces  no  hay  zonas  de  estuario  donde  se  puedan  generar corrientes localmente. Debido a estas condiciones, un aprovechamiento de la energía de  las  corrientes  de  marea  no  es  técnicamente  factible.  Asimismo,  al  no  haber  ríos  en  la  isla,  el  aprovechamiento de los gradientes salinos no es una buena alternativa.  En  el  caso  de  los  gradientes  térmicos,  la  batimetría  de  la  isla  muestra  que  la  plataforma  continental de la isla no es muy pendiente. Por el contrario, las mayores profundidades son de 50  m,  a  distancias  de  5km  a  la  línea  de  costa.  La  diferencia  de  temperatura  entre  las  aguas  a  esta  profundidad y las aguas superficiales no alcanzan los 20° C necesarios para el funcionamiento de  las plantas OTEC.  La  Isla  está  en  la  zona  de  Influencia  de  dos  corrientes  oceánicas,  la  Corriente  del  Caribe  Colombiano (CCC) y la Contra‐ Corriente de Panamá. Esto hace que en los alrededores de la Isla  haya  dinámicas  de  corrientes  asociadas  a  ambas.  Sin  embargo,  la  misma  interacción  entre  estas  corrientes hace que en unas épocas del año cuando la CCC se debilita (ver sección 2.2.3) algunas  corrientes cambien de dirección o incluso desaparezcan. Esta variación, sumada al hecho que las  corrientes  aprovechables  se  encuentran  a  distancias  mayores  que  la  distancia  al  continente,  descalifican a las corrientes oceánicas como alternativa de solución.  A  partir  de  éste  análisis,  se  propone  el  aprovechamiento  del  oleaje  como  posible  solución  energética para la Isla, ya que el uso de alguna otra fuente marina para la generación de energía  no  se  presenta  como  atractivo,  considerando  las  condiciones  geográficas  y  oceanográficas  de  la  isla. Como se explicó en la sección 2.2.1, el oleaje en la zona cercana a la isla viene impulsado por  los  fuertes  vientos  Alisios  del  noreste,  por  lo  cual  trae  un  flujo  de  energía  considerable.  La  caracterización del oleaje en la Isla se presentará en el Capítulo 4, y se propondrá un esquema de  abastecimiento en el Capítulo 6. 

3.4.Energía del Oleaje  La  teoría  para  la  modelación  y  la  caracterización  del  oleaje  se  ha  estudiado  desde  el  siglo  XIX,  partiendo de la teoría lineal de ondas para las aguas profundas, de la teoría no lineal y la teoría de  Stokes para aguas someras y zonas de rompiente. Entrar en una descripción completa del estado  del arte de la teoría del oleaje sería un ejercicio excesivo para presentar en esta tesis, pero existen  muchas fuentes de referencia que pueden ser consultadas, entre las que se destaca (Young, 1999).  Esta sección describirá en detalle las variables más importantes para el estudio de la energía para  hacer una contextualización sobre las expresiones que cuantifican la energía en el oleaje.  

33  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Para  entrar  en  contexto,  la  generación  de  energía  parte  de  olas  individuales  que  pasan  por  un  determinado  punto,  para  su  análisis  se  introduce  el  concepto  estadístico  de  estado  de  mar.  Un  estado  de  mar  es  un  periodo  de  tiempo  en  que  las  condiciones  del  oleaje  son  similares,  y  normalmente se usa como referencia que tiene una duración de una hora en el mar Caribe y tres  horas  en  el  Océano  Pacifico.  El  oleaje  generado  por  viento,  cuando  se  encuentra  en  aguas  profundas,  es  una  superposición  de  ondas  lineales  que  con  distintas,  direcciones,  amplitudes  y  longitudes de onda, como lo ilustra laFigura 3.6.   

  Figura 3.6 Superposición de ondas lineales que componen el oleaje (IH Cantabria, 2009) 

Estadísticamente,  se  pueden  representar  todas  las  ondas  que  ocurren  en  un  estado  de  mar  utilizando  espectros.  Conceptualmente,  un  espectro  S(ω,  θ)    es  una  superposición  de  ondas  monocromáticas y describe la distribución de ondas de energía como función de la frecuencia ω  (espectro 1D) o como función de la frecuencia ω y la dirección θ (espectro 2D) (Rodriguez et al.,  2005),  un  espectro  de  2  direcciones  se  muestra  gráficamente  en  la  Figura  3.7.  Trabajar  con  espectros permite facilidades de cálculo de parámetros, y es muy útil para usarse en modelos de  propagación de oleaje.  

34  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 3.7 Espectro bidimensional. (IH Cantabria, 2009) 

  A continuación se definen los parámetros más usados para el cálculo de la energía:  Altura de ola significante ‐Hs.  La  altura  de  ola  significante,  Hs  o  Hm0es  el  parámetro  más  extendido  a  la  hora  de  describir  un  estado  de  mar.  Fue  presentado  por  primera  vez  por  Sverdrup  and  Munk  (1947)  y  surgió  de  la  necesidad de establecer un parámetro estadístico que relacionara las alturas de ola obtenidas en  el registro instrumental del oleaje y las establecidas a través de observación visual de un estado de  mar. A partir de un registro de oleaje del desplazamiento vertical de la superficie libre, la altura de  ola significante se define, como la media aritmética del tercio medio de olas de mayor altura del  registro, es decir:  3

/

 

Ecuación 3‐2 

Donde Hi es la serie de alturas de ola individuales del registro, ordenada de mayor a menor (Hi es  la altura de ola máxima y HN es la altura de ola mínima) y N es el número total de olas individuales  del registro.   Dirección media  La dirección media se define como el promedio de las direcciones del oleaje en un determinado  periodo  de  registro.    La  dirección  indica  desde  donde  vienen  las  olas,  midiendo  un  ángulo  con  respecto al norte en sentido horario (azimut). Conocer la dirección del oleaje es importante para 

35  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  generación energética marina dado que permite  concebir alineaciones o arreglos de dispositivos  enfocados a  optimizar la captura de energía y por consiguiente el aprovechamiento del recurso.  Periodos  El periodo de una ola se define como el tiempo en que se demoran dos crestas de una onda en  pasar por un mismo punto. Existen muchas formas de definir el periodo de un estado de mar, pero  uno los más utilizados son los conceptos del periodo medio y el periodo pico. Si bien el periodo  medio es más utilizado para la cuantificación de la energía que el periodo pico, el periodo pico es  utilizado extensivamente en aplicaciones generales de energía de costas, y ambos se utilizarán en  el presente trabajo.  El periodo medio se define como el promedio de todos los periodos registrados en un estado de  mar,  hay  varias  formas  de  determinarlo  a  partir  de  una  serie  de  oleaje.  La  más  común  por  el  método de los pasos ascendentes por cero, que mide el tiempo que se demorar el nivel del mar en  subir  consecutivamente  por  un  punto  de  referencia.  El  periodo  pico  se  define  como  el  periodo  asociado a las olas de mayor energía dentro del estado de mar. Su determinación se hace a partir  de la gráfica del espectro de energía (Figura 3.8).  

  Figura 3.8 Espectro de Energía unidimensional 

Energía y potencia del Oleaje  De acuerdo con la teoría lineal de ondas la energía de una ola es una suma de la energía potencial  por la altura de la lámina de agua y de la energía cinética asociada al movimiento de las partículas  de agua (Fernández, 2006). Según Fernández, La energía depende principalmente de la altura de  ola H, y está dado por la relación que se presenta en la Ecuación 3‐3.  8

 

Ecuación 3‐3 

Donde  ρ  es  la  densidad  del  fluido,  λ  la  longitud  de  onda,  g  la  aceleración  de  la  gravedad  y  b  el  ancho  de  frente  de  onda.  En  términos  del  periodo  T,  y  para  el  caso  de  aguas  profundas,  la  ecuación queda según lo mostrado por la Ecuación 3‐4. 

36  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

   

32 Ecuación 3‐4 

Para la generación de energía, es importante saber la potencia en el oleaje, ésta se define en la  Ecuación 3‐5, donde cg representa es la celeridad de grupo. 

8

 

32

Ecuación 3‐5 

Esta expresión es válida para aguas profundas y está dada en kW/m, y representa la potencia en  kW en un frente de onda de un metro de ancho. De todas maneras, para efectos de determinar la  disponibilidad de energía en una determinada zona, se debe trabajar con los datos de oleaje real.  La  potencia  presente  en  un  estado  de  mar  dependerá  de  principalmente  del  espectro  de  frecuencias direccional del oleaje S(ω,θ) y de parámetros como de la profundidad y de la celeridad  de grupo (Ecuación 3‐6).  ,

,

Ecuación 3‐6 

Algunos  autores  han  propuesto  expresiones  simplificadas  de  la  integral  bajo  el  espectro  en  términos de los parámetros de oleaje. Para hacerlo de aguas profundas, y desarrollan la integral  para  llegar  a  expresiones  en  términos  de  la  altura  de  ola  significante  Hs  (relacionada  al  primer  momento del espectro) y al periodo medio de paso ascendente por cero, que se relaciona con la  forma  del  espectro  considerado.  Algunas  de  estas  de  estas  expresiones  se  muestran  en  la  Tabla  3‐1(Fernández, 2006).  Tabla 3‐1 Expresiones potencia del oleaje 

Aproximación 

Expresión  

ISSC  

0.595

 

Jonswap 

0.458

 

Pierson‐Moskowitz 

0.550

 

 

3.5.Uso de modelos numéricos para el cálculo de la potencia  En  la  ingeniería  actual,  se  hace  uso  extensivo  de  los  modelos  de  propagación  de  oleaje  para  estudiar las características del oleaje en una zona. Estos modelos propagan los espectros teniendo  en  cuenta  su  interacción  con  las  fuentes  y  los  sumideros  de  la  energía  presente.  Su  diseño  y  funcionamiento parte de las bases teóricas de teoría ondulatoria lineal de finales del siglo XIX y de 

37  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  los desarrollos teóricos y experimentales sobre el crecimiento del oleaje desarrollados en el siglo  XX,  que  explicaban  de  forma  más  completa  y  precisa  la  física  del  oleaje.  La  forma  numérica  de  cómo  se  resuelve  la  ecuación  de  la  energía  del  oleaje,  y  la  evolución  de  la  estimación  de  los  términos fuentes y sumideros de energía, permiten clasificar los modelos de generación de oleaje  en modelos de primera, segunda y tercera generación. (Montoya & Osorio, 2007).  Los primeros modelos, o llamados de primera generación, eran modelos los cuales propagaban el  espectro  de  acuerdo a  condiciones paramétricas impuestas, y el  espectro se representaba  como  un  arreglo  de  paquetes  de  energía  discretizados  en  2  dimensiones:  frecuencia  y  dirección.  Cada  uno de esos paquetes se propagaba individualmente. Por esta razón se les conoce como modelos  desacoplados.  Luego  aparecieron  los  modelos  de  segunda  generación,  donde  se  modificaban  algunos  de  los  términos  fuentes  y  sumideros,  y  las  componentes  del  espectro  se  propagaban  conjuntamente.  Estos  modelos  eran  capaces  de  propagar  individualmente  el  oleaje  sea  y  swell  ,  por lo que se les conoce como modelos híbridos acoplados. Estos modelos tienen limitaciones en  las  parametrizaciones  para  considerar  las  transferencias  no  lineales  de  energía,  lo  que  se  envidencia al considerar casos donde la dirección y velocidad del viento cambiada abruptamente  (Montoya & Osorio, 2007). Actualmente existen modelos de tercera generación que no imponen  formas definidas al espectro, y consecuentemente permiten calcular completamente la ecuación  de transporte de energía y los términos no lineales. Además estos modelos permiten observar la  evolución el espectro del  oleaje en el tiempo, y por tanto mostrar la variación y distribución del  oleaje de forma detallada, convirtiéndose en una poderosa herramienta para la ingeniería (Mesa,  2009).  Estos  modelos  presentan  una  alternativa  al  cálculo  de  la  potencia  en  el  oleaje  a  partir  de  ecuaciones  paramétricas.  Si  bien  la  mayoría  de  expresiones  de  oleaje  son  muy  útiles  para  aguas  profundas, muchos proyectos de aprovechamiento de la energía del oleaje se ubican en zonas de  aguas intermedias donde la fricción del fondo marino y la batimetría modifican el oleaje, haciendo  complicadas muchas expresiones que se simplifican al trabajar en aguas profundas. Sin embargo,  el uso de los modelos numéricos permite  propagar el espectro de oleaje que viene desde aguas  profundas hasta aguas intermedias y someras. De esta manera se pueden utilizar para conocer las  características  del  oleaje  de  forma  preliminar  en  zonas  costeras  (IH  Cantabria,  2009),  además  permiten integrar bajo el espectro para conocer la potencia de un estado de mar, y no tener que  recurrir  al  uso  de  parametrizaciones  que  encuentran  los  valores  de  potencia  usando  aproximaciones (Iglesias & Carballo, 2009).    

 

38  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

4. Caracterización de la Potencia del Oleaje  Para  poder  cuantificar  la  potencia  presente  en  el  oleaje  en  Isla  Fuerte,  se  debe  contar  con  una  serie de datos para poder hacer los cálculos correspondientes. Debido a  que  en la Isla  no  existe  instrumentación para medir el oleaje, se propone el uso de un esquema para generar estas series  basado  en  el  uso  de  modelos  de  propagación  de  oleaje,  que  utilizan  como  insumos  vientos  de  modelos  de  reanálisis.  Este  capítulo  presenta  la  metodología  de  caracterización  del  oleaje  y  de  escogencia de sitio,  describe los modelos y los datos utilizados y muestra las correcciones hechas  a los datos obtenidos. Finalmente, se analiza la serie de oleaje en el lugar escogido y se cuantifica  la potencia presente. 

4.1.Fuentes de Información  Las  fuentes  de  datos  usadas  comprenden  insumos  para  los  modelos  de  propagación  y  datos  de  oleaje  instrumental  para  comparar  resultados.  Para  generar  la  serie,  se  utilizan  dos  insumos  principales: las batimetrías del Mar Caribe y del Litoral Caribe Colombiano y los datos de vientos  del  Renálisis  North  American  Regional  Reanalysis  ‐  NARR.  Los  datos  de  oleaje  instrumental  corresponden a  datos de boyas ubicadas en el Caribe Colombiano.  4.1.1. Batimetrías  Se usó una batimetría general del Mar Caribe, sacada del modelo ETOPO1, un modelo de relieve  global desarrollado por la NOAA (Amante & Eakins, 2009). Las batimetrías locales fueron sacadas  del Sistema de Modelado Costero – SMC (González et al., 2007) desarrollado por la  Universidad  de Cantabria el cual contiene bases de datos de las batimetrías de la costa colombiana elaboradas  y  recopiladas  por  la  Dirección  General  Marítima  –  DIMAR  (DIMAR,  2005).  Las  cartas  náuticas  utilizadas fueron las siguientes:  • • •

Carta Naútica COL 042 – Isla Fuerte a Barranquilla  Carta Naútica COL 043 – Cabo Tiburón a Isla Fuerte  Carta Naútica COL 267 – Isla Fuerte 

Para las modelaciones enfocadas a corregir las series de oleaje, por medio  comparándolas con las  boyas ubicadas en Puerto Bolívar y Barranquilla, se usaron adicionalmente las cartas:   • • • •

Carta Naútica COL 407 – Punta Colombia a Santa Marta  Carta Naútica COL 612 – Aproximación a Barranquilla  Carta Naútica COL 612 – Península de la Guajira  Carta Naútica COL 228 – Aproximación a Bahía Portete 

Las  batimetrías  fueron  interpoladas  para  ajustarse  a  las  dimensiones  de  las  mallas  computacionales utilizadas usando el método de Kriging, en las distintas etapas de la modelación.  4.1.2. Datos de Viento  Los datos de vientos a 10 metros de altura fueron sacados de la serie de la base de datos generada  por  el  North  American  Regional  Reanalysis  –  NARR(Mesinger  et  al.,  2006).  Este  fue  desarrollado 

39  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  por el NCEP con el propósito de mejorar los datos del reanálisis global NCEP‐NCAR para la región  norteamericana,  de  tal  manera  que  se  modelaran  más  acertadamente  los  ciclos  hidrológicos,  el  ciclo diurno y otras variaciones climáticas importantes. En comparación con el reanálisis global, el  NARR  tiene  mejores  ajustes  en  las  estaciones  de  medición  de  vientos  a  10m  de  altura,  mejora  sustancialmente la circulación troposférica, y presenta avances en muchos otros campos como la  precipitación, la interacción tierra‐atmósfera etc., lo que convierte en un modelo consistente y de  alta resolución para la región.(Mesinger et al., 2006)   Los  datos  de  viento  a  10  metros  de  altura  fueron  bajados  de  la  red  de  la  página  de  la  NOAA  (ftp://ftp.cdc.noaa.gov/Datasets/NARR/monolevel/)  para  el  periodo  1979–2008.  Estos  se  encuentran a una resolución espacial de 0.25°por 0.25°, y a una resolución temporal de 3 horas.  Miembros  del  Grupo  de  Oceanografía  en  Ingeniería  Costera  –  OCEANICOS  –  de  la  Universidad  Nacional de Colombia, Sede Medellín (http://oceanicos.unalmed.edu.co/)  realizaron un recorte e  interpolación de los mismos para la región Caribe, entre las latitudes 6°N y 22°N, y las longitudes  82°E y ‐66°E. Dichos datos fueron los utilizados en el presente estudio, y fueron interpolados de  acuerdo con las mallas computacionales que se usaron.  Una rápida mirada a los datos ilustra que se ajustan a la hidroclimatología de la región (ver sección  2.3.1) mostrando los patrones de circulación en las épocas húmedas y secas, donde se destaca la  presencia de chorro de San Andrés en la época seca. Adicionalmente, el NARR refleja el paso de los  huracanes  y  la  circulación  de  los  vientos  asociada  a  ellos,  aunque  subestima  muchos  los  vientos  generados (Figura 4.1). En el caso del huracán Emily, las velocidades máximas del modelo son de  72 km/h, cuando el huracán era categoría 4, es decir, con velocidades mayores a los 200 km/h. Sin  embargo, el hecho de considere vientos fuertes asociados al paso de los huracanes ayuda a que  estos  fenómenos  sean  tenidos  en  cuenta,  aunque  de  forma  imprecisa.  La  modelación  busca  determinar los regímenes medios para la generación de  energía  eléctrica, por lo tanto, el  hecho  que los regímenes extremales no sean representados en su totalidad, no representa errores muy  grandes en el procedimiento planteado. 

40  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 4.1 Vientos del Reanálisis NARR en m/s  durante a) época seca b) época húmeda c) Huracán Emily – Julio 2005 

4.1.1. Boyas de Oleaje  Para la corrección de los datos se utilizaron los registros de dos boyas oceanográficas ubicadas en  el Caribe Colombiano, propiedad de la Dirección General Marítima. Estas boyas están ubicadas en  Barranquilla,  al  oeste  de  Bocas  de  Ceniza,  y  en  Puerto  Bolívar  al  norte  de  la  Bahía  Portete.  La  información de estas boyas es descrita con mayor detalle en la sección 4.5. 

4.2.El Modelo SWAN  El  modelo  escogido  para  hacer  las  propagaciones  es  el  modelo  SWAN  ‐  Simulating  WAves  Nearshore  (Booij  et  al.,  1999),  un  modelo  de  oleaje  de  3era  generación  desarrollado  en  la  Delft  University  of  Techonology  en  Holanda.  Este  modelo  se  escoge  sobre  los  modelos  WAM  y  WWIII  principalmente  porque  el  modelo  SWAN  está  diseñado  para  hacer  propagaciones  en  zonas  costeras, al tiempo que puede usarse para propagar oleaje en aguas profundas.   Asimismo, se escoge sobre otros modelos pensados para aguas costeras como el OLUCA (González  et  al.,  2007).  Si  bien  el  OLUCA  resuelve  la  ecuación  de  energía  completamente  y  no  tiene 

41  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  problemas en propagar la difracción (lo cual es una deficiencia del modelo SWAN), no permite la  propagación  de  series  completas  de  oleaje,  no  considera  el  viento  como  término  fuente  para  la  ecuación de la energía del oleaje, y las condiciones de contorno deben ser impuestas por medio de  parametrizaciones.  De  acuerdo  con  las  condiciones  en  Isla  Fuerte,  donde  hay  una  gran  acción  de  vientos  locales  y  donde además el oleaje incide de frente hacia la isla, sin ningún obstáculo importante que pueda  crear  difracción,  el  modelo  SWAN  se  presenta  como  el  modelo  más  adecuado  para  simular  las  condiciones  del  espectro  de  oleaje  en  la  isla.  A  continuación  se  hace  una  breve  descripción  del  mismo.  Descripción  El  modelo  se  basa  en  la  ecuación  de  balance  de  energía  con  fuentes  y  sumideros,  y  propaga  un  espectro bidimensional de densidad de acción N(ω,θ). El modelo propaga este espectro en vez del  más  conocido  espectro  de  densidad  de  energía,  debido  a  que  cuando  hay  interacciones  con  corrientes el espectro de densidad de acción se conserva, mientras el espectro de energía no. Sin  embargo,  ambos  espectros  están  íntimamente  relacionados,  ya  que  el  espectro  de  densidad  de  acción es el espectro de densidad de energía dividido por la frecuencia relativa (Ecuación 4‐1).  N ω, θ

S ω, θ   ω

Ecuación 4‐1 

La ecuación fundamental de modelo SWAN se muestra a continuación en términos del espectro de  densidad de acción (Ecuación 4‐2).    ∂ N ∂t

∂ C N ∂x

∂ C N ∂y

∂ C N ∂ω

∂ C N ∂θ

FS   ω

Ecuación 4‐2 

En esta ecuación, el primer término representa la variación temporal del espectro, y el segundo y  el tercero representan la propagación en el espacio geográfico con velocidades cx y cy. El cuarto y  quinto  término  de  la  ecuación  representan  la  migración  de  frecuencia  relativa  y  refracción  respectivamente, debido a variaciones en el fondo y corrientes, donde  cω y  cθ son la velocidad en  los espacios  ω y θ  (frecuencia y dirección respectivamente). Finalmente, término a la derecha de  la igualdad (FS) representa las variaciones que tendrá el espectro debido a la acción de las distintas  fuentes y sumideros.  Funcionalidad   El modelo propaga un espectro de oleaje a través de una batimetría dada y simula varios procesos  de transformación del oleaje entre los cuales se incluyen:  •

Propagación a través del espacio geográfico 

42  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  • • •

Refracción por fondo y corrientes  Asomeramiento por fondo y corrientes  Bloqueo y reflexión y paso a través de obstáculos y corrientes 

Así mismo, el modelo considera una serie de fenómenos de generación de oleaje y de disipación  de energía:  • • • • • •

Generación por vientos  Disipación por “whitecapping” o rotura en aguas profundas  Disipación por rotura inducida por el fondo  Disipación por fricción de fondo  Interacciones ola – ola  Obstáculos 

El hecho que considere la generación de oleaje por vientos lo hace particularmente útil en zonas  donde  el  oleaje  tipo  “sea”  es  decir,  el  oleaje  formado  por  los  vientos  locales  es  tan  importante  como el de tipo “swell”. De acuerdo a las hipótesis y aproximaciones  bajo las cuales se construye  el modelo, este presenta una serie de limitaciones:  • • •

No considera el fenómeno de difracción por tanto no se recomienda su uso en puertos  No calcula corrientes inducidas por el oleaje, éstas deben entrar al modelo como insumos  Se debe tener cuidado cuando hay interacciones de triadas o cuádruplas de olas, ya que  según los autores las aproximaciones para estos casos no son muy buenas. 

4.3.Metodología de Caracterización  En  principio,  se  pensó  en  usar  datos  de  oleaje  de  resultado  de  estudios  previos.  Estos  datos  correspondían a una serie de oleaje de 40 años a resolución horaria, ubicada en las coordenadas  10°N  ‐76°W  (Mesa,  2009).  Aunque  la  altura  de  ola  estaba  calibrada  con  una  metodología  sólida  usando datos satelitales, los datos satelitales no tienen información sobre los periodos y por esta  razón  las  series  de  oleaje  no  tenían  los  periodos  corregidos,  lo  que  afectaba  la  confiabilidad.  Al  propagar los estados de mar, los errores en los periodos (eran fuertemente subestimados) hacían  que  el  oleaje  rompiera  en  aguas  profundas    Adicionalmente,  usar  un  solo  dato  para  definir  un  contorno para una zona cercana a la costa representa un error sistemático, ya que las condiciones  de contorno representarían situaciones irreales. Esto se debe a que tomar un único dato para una  sección  muy  grande  del  contorno  que  representa  una  dimensión  geográfica  extensa,  implica  no  considerar posibles variaciones y transformaciones locales del oleaje.  Otra razón de peso, es que se contaba con datos de viento más precisos y con mayor resolución  temporal y espacial:(Sección 4.1.2), los datos del NARR están a una resolución espacial de 0.25° y a  una  resolución  temporal  de  cada  3  horas,  mientras  que  los  datos  del  NCEP‐NCAR  están  a  una  resolución espacial de 1.8° y a una resolución temporal de 6 horas.  Estas diferencias justificaban  una ejecución nueva debido a que los resultados podrían mejorar sustancialmente. 

43  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Estas razones impulsaron la decisión de hacer una ejecución general del Caribe, y luego bajar de  escala mediante el uso de mallas anidadas. De esta manera se mantienen condiciones realistas en  los contornos, lo cual puede significar resultados más acordes con la realidad.   Con estos antecedentes, se propone y se desarrolla una metodología de caracterización para sitios  con  instrumentación  escasa,  la  cual  se  aplicará  al  caso  de  Isla  Fuerte.  La  metodología  propuesta  empieza con unas modelaciones numéricas de un modelo de propagación de oleaje al cual entran  como insumos datos de viento a de reanálisis, y batimetrías del Caribe. Por medio de ejecuciones  anidadas  del  modelo  se  baja  de  escala  hasta  el  sitio  de  interés,  y  se  generan  series  de  oleaje  a  resolución horaria, y con longitud de registro en el orden de las décadas (Paso 1).   Una vez se cuenta con las series sintéticas, la metodología se parte en dos caminos. El primero es  una  comparación  con  registros  de  oleaje  existentes,  para  comparar  los  resultados  y  encontrar  ecuaciones  de  corrección  para  que  las  series  sintéticas  reflejen  la  realidad  de  forma  confiable  (Paso 2). El otro camino comprende de la generación de mapas energéticos, los cuales sirven para  conocer  los  sitios  donde  el  recurso  energético  podría  ser  aprovechable.  Estos  mapas  de  construyen a partir de la propagación de estados de mar característicos de las series sintéticas, los  cuales  se  escogen  con  base  en  3  criterios:  probabilidad  conjunta  de  Hs  y  Tp,  percentiles  característicos  de  la  potencia  del  oleaje,  y  una  selección  de  casos  representativos  según  el  algoritmo de agrupación k‐means. Estos mapas muestran de forma clara la disponibilidad espacial  del recurso, y ayudan a identificar los sitios donde el potencial de generación es mayor (Paso 3).  Un  análisis  conjunto  de  estos  mapas,  y  de  las  restricciones  sociales,  ambientales,  técnicas  y  geográficas ayudan a escoger el sitio idóneo para la eventual planta de generación (Paso 4).  Finalmente, al contar con un lugar idóneo  y conociendo las ecuaciones de corrección que deben  aplicarse  a  las  serie  sintéticas,  se  usa  de  nuevo  el  modelo  numérico  para  generar  una  serie  de  oleaje en el sitio escogida y posteriormente corregirla (Paso 5). Esta serie sirve para cuantificar el  potencial  energético  de  generación  a  distintas  escalas  temporales,  y  se  convierte  en  una  herramienta  muy  útil  para  determinar  la  factibilidad  de  un  proyecto.  Un  esquema  de  la  metodología se presenta en la Figura 4.2.     

44  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 4.2 Metodología de Caracterización 

Usando  esta  metodología  se  sacaron  resultados  en  un  punto  offshore  cercanos  a  la  Isla  y    en  el  sitio más óptimo para la generación (ver sección 4.5.) para el análisis. Además, en la malla general  del Caribe se sacaron varios puntos cercanos a la costa colombiana para dar una idea del potencial  de  generación  con  energía  del  oleaje  en  Colombia,  y  abrir  nuevos  caminos  de  investigación  (ver  Capítulo 7) 

4.4.Modelación Numérica (Paso 1)  A continuación se presentan las consideraciones de modelación y las mallas computacionales  usadas para generar las series de oleaje y los mapas energéticos de la isla.  4.4.1. Consideraciones de Modelación  Para la modelación numérica, el modelo SWAN se corrió bajo las siguientes consideraciones:  •

•

Las  ejecuciones  del  modelo  se  realizaron  en  la  Unidad  de  Cálculo  Numérico  Avanzado  – UNICA – de la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.   Este  clúster  tiene  36  CPU  tipo  EMT64T  con  un  CPU  Clock  de  3.6  GHz  y  una  Peak  Perfomance  de  259.2  GFLOPS.  En  este  clúster  el  profesor  Andrés  Osorio  instaló  una  versión  paralelizada  del  modelo  SWAN,  que  permite  hacer  ejecuciones  largas  en  poco  tiempo.  Se corrió un periodo de 30 años, desde el primero de enero de 1979 a las 0:00 h hasta el  31 de diciembre de 2008 a las 23:00 horas. 

45  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  •

•

•

•

•

• • • • • • • •

Por limitaciones capacidad de espacio en el clúster UNICA de la Universidad Nacional, los  30  años  de  ejecución  se  partieron  en  15  ejecuciones  de  2  años  cada  una.  El  paso  de  tiempo se tomó de una hora, según con la duración de los estados de mar considerados.  La modelación es dinámica ya que para correr un estado de mar se usan los resultados de  la ejecución del estado de mar inmediatamente anterior.  No  se  impusieron  condiciones  de  contorno  para  la  ejecución  general  del  Caribe,  lo  que  implica  que  todo  el  oleaje  que  se  genera  se  hace  en  la  cuenca  del  Caribe,  y  que  no  se  consideran  flujos  de  energía  provenientes  del  Atlántico  Norte  a  través  de  las  Antillas  Menores.  Las  condiciones  de  contorno  de  las  mallas  anidadas  se  sacan  de  la  ejecución  anterior en la malla que las contiene.  Se utilizó una propagación en dos direcciones espaciales x y y, un espacio de direcciones θ  y  un  espacio  de  frecuencias  ω1.  El  espacio  θ  se  discretizó  en  36  direcciones  (con  10°  de  separación), y el espacio ω en 30 frecuencias, desde los 0.0412 Hz hasta los 0.6536 Hz, las  cuales se encuentran distribuidas logarítmicamente según la relación ω 1.1ω .  Se tomó un nivel de marea constante, ya que se considera insignificante la variación de la  marea. Esto se toma con base en las condiciones de marea características del Caribe (Ver  sección 2.2.2)   Todas  las  mallas  son  regulares  y  tienen  forma  rectangular.  Se  usaron  coordenadas  esféricas para facilitar el anidamiento de las mallas al bajar de escalas oceánicas a escalas  costeras.  No  se  consideró  la  presencia  de  corrientes,  al  no  tener  información  detallada  y  cuantificada de las mismas  Para el crecimiento del oleaje por viento se utilizó la parametrización según Kommen et al  (1984)  Se considera la rotura en agua profundas o “whitecapping  según Kommen et al (1984)  Se considera la fricción de fondo, y se considera un valor constante para todas las mallas,  según JONSWAP. (Hasselman et al, 1973)  Se consideraron las interacciones no lineales de triadas (Edeberkly, 1996) y cuadrupletas  (Hasselman et al, 1985)  El esquema de propagación fue BSBT back space back time  No se considera el setup inducido por el oleaje.  Al entregar los resultados de energía, el modelo puede darlos en términos de variación o  de  energía  espectral(TUDelft,  2009).  Se  escoge  la  opción  de  entregarlos  en  energía  espectral, ya que así el transporte de energía se entrega en unidades de kW/m, que son  las comúnmente usadas  al hacer evaluaciones de potencial energético. 

4.4.2. Mallas Anidadas  Para bajar de la escala oceánica del Caribe hasta la escala local de Isla Fuerte, se requirió el uso de  diversas  mallas  anidadas,  donde  una  ejecución  creaba  una  condición  de  contorno  para  una                                                              

1

 Para una descripción de los espectros de oleaje, remitirse a la sección 3.4 

46  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

  ejecución  subsecuente  en  una  malla  más  detallada.  El  modelo  SWAN  permite  el  uso  de  estas  mallas, pero exige que el factor de escala de la resolución de una malla a la de otra sea máximo de  3 (TUDelft, 2009).   Debido a esta razón, se hizo necesario el uso de 6 mallas en total. La primera es una malla general  del Caribe desde el meridiano 82° W hasta el 66° W, y entre los paralelos 6°N y 22°N. Las mallas  subsecuentes son aproximaciones a la Isla, hasta llegar a un plano general de la misma. La última  malla es un detalle de la zona (norte) donde se encontró mayor energía según la sección 4.5. La  características de las mallas están resumidas en la Tabla 4‐1 y ilustran en la Figura 4.3. Los cuadros  naranja  en  las  mallas  presentadas  en  la    Figura  4.3  indican  la  zona  usada  para  la  próxima  malla  anidada.  Tabla 4‐1 Características de las Mallas Anidadas  Nombre Caribe Anidada 1 Anidada 2 Anidada 3 Anidada 4 Anidada 5

 

47  

Resolución  (km) 13.5 5 2 0.75 0.3 0.12

Longitud  Longitud  Mínima (°W) Máxima (°W) 82 66 76.492 76.0423 76.3979 76.0022 76.2366 76.1287 76.228234 76.141899 76.189189 76.170843

Latitud  Mínima (°N) 6 9.251300 9.251300 9.324800 9.330527 9.395165

Latitud  Nodos en X Nodos en Y Máxima (°N) 22 128 128 9.970800 10 16 9.736900 22 27 9.473200 16 22 9.435748 32 39 9.418907 17 22

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

 

48  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Figura 4.3 Batimetrías de las mallas computacionales 

  4.4.3. Resultados del Modelo  Además de las condiciones de contorno de las mallas anidadas, se configurará el modelo para que  entregue  resultados  de  Hs,  Tp,  Dir,  y  Transporte  de  energía  en  las  direcciones  x  y  y.  Estos  resultados  estarán  en  forma  de  series  horarias  con  una  duración  total  de  30  años.  Asimismo,  se  escogerán  unos  casos  característicos  para  hacer  mapas  energéticos  de  Isla  Fuerte,  los  cuales  tendrán los mismos valores que las series.  Un  ejemplo  de  los  archivos  utilizados  para  la  ejecución  se  encuentra  en  el  Anexo  I  –  Ejemplo  Ejecuciones SWAN. 

4.5.Corrección de datos (Paso 2)  En el presente trabajo, se hace una corrección de datos en vez de una calibración y validación de  los datos obtenidos. En las ejecuciones del modelo SWAN, al mover parámetros que afectaban la  física  del  modelo,  se  observó  que  los  resultados  que  más  se  ajustaban  a  los  datos  de  las  boyas  correspondían a las ejecuciones con las opciones predeterminadas del modelo. Por esta razón, la  realización de calibración no era relevante. Para el caso de la validación de la corrección, las series  de las boyas con las cuales se comparaba el modelo no tenían registros muy largos (ver Tabla 4‐2),  y dentro de su tiempo de registro estaba fragmentada y con muchos datos faltantes (ver Figura 4.5  y Figura 4.17). Esta gran ausencia de datos implica que la validación no tuviera mucho sentido, ya  que  no  se  contaba  con  datos  extensos  con  los  cuales  comparar  y  la  corrección  podía  caer  en  errores sistemáticos.  Vale  la  pena  resaltar  que  las  boyas  con  las  cuales  se  corrigió  el  modelo  se  encuentran  en  aguas  profundas  y  por  lo  tanto  no  sufren  los  efectos  de  la  fricción  del  fondo.  A  pesar  de  esto,  la  serie  final  en  cercanías  de  la  isla  es  corregida  con  las  expresiones  de  corrección  de  estas  boyas.  Idealmente hubiera sido deseable contar con una serie en aguas someras que estuviera bajo los  efectos  de  la  fricción,  pero  no  fue  posible.  Se  debe  hacer  un  análisis  una  vez  se  cuente  con  una  serie en aguas someras, y se propone para investigaciones futuras (Ver sección 7.1).  La  corrección  de  los  datos  de  las  boyas  se  hizo  por  medio  de  dos  boyas  pertenecientes  a  la  Dirección  General  Marítima,  ubicadas  en  Barranquilla  y  en  Puerto  Bolívar.  Las  características  de  estas boyas se muestran en la Tabla 4‐2 y su ubicación en la Figura 4.4. 

49  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

   

Figura 4.4 Ubicación de las boyas de la DIMAR (CCCP, 2009)  Tabla 4‐2 Características de las boyas. (CCCP, 2009) (NDBC, 2010) 

Boya

Latitud Longitud Profundidad

Barranquilla 11.161 N 74.681 W Puerto Bolivar 12.351 N 72.218 W

150 m 150 m

Parámetros  Periodo de Registro  Medidos Hs Tp Dir Temp Marzo 2006 ‐ Hoy Hs Tp Dir Temp Noviembre 2007 ‐ Hoy  

Para obtener los datos de modelación en estos sitios se utilizó un procedimiento similar con mallas  anidadas,  donde  se  usaban  las  mismas  consideraciones  de  modelación  expuestas  en  la  sección  4.4.1. Las series modeladas y las series de las boyas fueron comparadas en el dominio del tiempo y   de  la  probabilidad  y  se  realizó  una  análisis  de  variabilidad  temporal  de  la  serie  a  partir  de  comparaciones  en  el  dominio  de  la  frecuencia.  Hacer  el  análisis  en  dichos  dominios,  permite  comparar  la  modelación  en  varios  frentes,  y  arroja  luces  acerca  de  la  comparación  entre  ambas  series  que  no  es  posible  ver  a  simple  vista  en  el  dominio  del  tiempo.  Para  estos  análisis  se  eliminaron datos considerados como outliers  y errores de medición así:  • • •

Mediciones de altura de ola iguales a 0 m  Mediciones de periodo mayores a 17 s  Errores de modelación como datos inconsistentes o incoherentes 

A continuación se presentan las comparaciones para cada una de las boyas.  4.5.1. Comparación Boya Barranquilla  La comparación con la boya de Barranquilla se hace con el registro de la boya desde que empezó a  funcional en marzo de 2006 hasta el 31 de diciembre de 2008.   Dominio del tiempo  Altura de Ola – Hs 

50  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

  Al comparar la altura de ambas series, se ve que la modelación se ajusta bastante bien a los datos  de  la  boya  y  que  las  series  se  encuentran  en  fase,  aunque  con  algunas  diferencias  y  cierta  dispersión. 

  Figura 4.5 Comparación de Hs – Modelo SWAN y Registro Boya Barranquilla 

En  algunas  ocasiones  el  modelo  no  reproduce  los  casos  de  oleaje  extremo,  pero  en  términos  generales el modelo sigue la tendencia de las variaciones de la boya, dando buenos resultados. Al  realizar un ajuste lineal a los datos (Figura 4.6), se observa dispersión entre los datos del modelo y  la boya, y se encuentra que ajustan linealmente según la Ecuación 4‐3:  0.7089

0.2816 

Ecuación 4‐3 

Este  ajuste  tiene  un  R2  medio  de  0.6251  y  un  error  cuadrático  medio  de  0.40m,  el  cual  corresponde al 25% del valor promedio de la serie instrumentada. 

51  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 4.6 Ajuste Hs Modelo SWAN vs Registro Boya Barranquilla 

Periodo Pico ‐ Tp  En el caso del periodo se observa que amabas series están en fase aunque la correspondencia no  es tan evidente  como la de  de las alturas de ola(Figura 4.7) 

  Figura 4.7 Comparación de Tp – Modelo SWAN y Registro Boya Barranquilla 

Para realizar el ajuste lineal, se fijó el intercepto igual a cero, ya  que al  dejarlo libre el ajuste se  vuelve una línea horizontal  La Ecuación 4‐4 presenta de ajuste lineal de los datos de periodo. 

52  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  1.167

 

Ecuación 4‐4 

Este ajuste tiene un R2 medio de ‐1.27 y un error cuadrático medio de 1.3 s, que corresponde al  17%  del  valor  medio  del  periodo.  El  hecho  de  contar  con  un  R2  negativo  significa  que  el  ajuste  lineal de los datos no es para nada bueno, mucho menos comparado con el valor de 0.65 del R2 de  las alturas de ola. 

  Figura 4.8 Ajuste Tp Modelo SWAN vs Registro Boya Barranquilla 

Dirección  En cuanto a las direcciones, se observa que las direcciones de la boya y el modelo son similares,  aunque en algunos casos presentan algunas diferencias (Figura 4.9).  

53  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

  Figura 4.9 Comparación de Direcciones – Modelo SWAN y Registro Boya Barranquilla 

El  ajuste  de  las  direcciones  también  da  un  resultado  que  muestra  que  el  modelo  tiene  un  buen  ajuste a las direcciones. Aunque no es una línea recta, los puntos se concentran en las esquinas de  la gráfica. 

  Figura 4.10 Ajuste de Direcciones – Modelo SWAN y Registro Boya Barranquilla 

Dominio de la frecuencia – Variablidad temporal  Para hacer el análisis en el dominio de  las frecuencias, se debió buscar un periodo de tiempo lo  suficientemente  largo  donde  existieran  datos  de  la  boya  y  datos  modelados,  sin  que  hubieran  datos  faltantes  entre  la  serie.  Al  eliminar  “outliers”  la  serie  se  fragmentaba  en  periodos  muy 

54  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

  cortos, entonces se decidió hacer análisis de frecuencia de la serie incluyendo los outliers, ya que  ellos  no  cambiarían  significativamente  los  resultados.  De  acuerdo  con  esto,  se  realizó  una  comparación  de  las  transformadas  rápidas  de  Fourier  para  las  Hs  (Figura  4.11)  y  los  Tp  (Figura  4.12), en un periodo de tiempo comprendido desde Junio de 2007 hasta Diciembre de 2007  Análisis de Frecuencias - Hs -Barranquilla - Junio a Diciembre 2007

4

10

Simulación Boya 3

10

2

10

1

10

0

Energía

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

-3

10

-2

10

Frecuencia (1/Hora)

-1

10

 

Figura 4.11 Transformadas de Fourier de las series de Hs para el modelo SWAN y la boya de Barranquilla 

Al mirar las comparaciones de Hs, se observa que ambas series tienen un espectro de potencias  similar, y llama la atención que ambas comparten un pico importante. Este pico corresponde a la  frecuencia de 0.0049 1/Hora, es decir que se repite cada 23.8 horas, lo cual claramente representa  el ciclo diurno del oleaje. 

55  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)   Análisis de Frecuencias - Tp -Barranquilla - Junio a Diciembre 2007

4

10

Simulación Boya 3

10

2

10

1

10

0

Energía

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

-3

10

-2

10

Frecuencia (1/Hora)

-1

10

 

Figura 4.12 Transformadas de Fourier de las series de Tp para el modelo SWAN y la boya de Barranquilla 

En el caso de los periodos pico, se observa que si bien ambas series son similares, no se observa un  pico claro como el de las serie de Hs, ni una correspondencia clara entre ambas series.  Dominio de la probabilidad  Para  comparar  las  series  en  el  dominio  de  la  probabilidad,  se  ajustan  ambas  series  a  una  distribución Gumbel, y se grafican en escala logarítmica. En el caso de Hs, la gráfica muestra que  las  distribuciones  de  altura  de  ola  de  acuerdo  con  la  probabilidad  de  ocurrencia  presentan  similitudes  importantes,  incluso  en  los  casos  extremos  (Figura  4.13).  Esta  grafica,  así  como  la  Figura 4.5, muestran la sobreestimación de la altura de ola al modelar con el SWAN. 

56  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)   Ajuste Gumbel Barranquilla - Hs 15 Simulación Boya

Hs(m)

10

5

0 0.10

0.30

0.50

0.70

0.80

0.90

0.95

0.98 0.99 Probabilidad

0.995

0.999

0.9999

 

Figura 4.13 Ajuste de Hs a la distribución Gumbel – SWAN y Boya Barranquilla 

En el caso de Tp, se observa que los periodos simulados están generalmente subestimados, y que  las distribuciones son similares hasta cierto rango de periodos (Figura 4.14). Los casos extremos,  que corresponden a periodos mayores de 10 segundos, y que ocurren el 1 por ciento del tiempo,  presentan  un  punto  de  quiebre  en  la  distribución.  Esto  muestra  que  el  modelo  es  incapaz  de   simular los Tp extremos.  Ajuste Gumbel Barranquilla - Tp 15 Simulación Boya

Tp(s)

10

5

0 0.10

0.30

0.50

0.70

0.80

0.90

0.95

0.98 0.99 Probabilidad

0.995

0.999

Figura 4.14 Ajuste de Tp a la distribución Gumbel ‐ SWAN y Boya Barranquilla   

57  

0.9999

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Corrección  Dado  que  los  ajustes  en  el  dominio  del  tiempo  no  tenían  buenos  valores  en  los  estadísticos  del  ajuste, se decide realizar una corrección por medio de la comparación de cuantiles de valores de la  series  de  altura  de  ola    y  periodo  para  la  simulación  y  para  la  boya.  Un  cuantil  es  una  medida  estadística  que  representa  la  posición  de  un  valor  en  una  distribución,  y  la  divide  en  intervalos  iguales. Para realizar las correcciones se sacaron cuantiles de 0.1% de ambas series, y se graficaron  uno contra otro. Al hacerlo, se obtienen unas gráficas las cuales se asemejan a una línea recta, y   se les aplica un ajuste lineal (Figura 4.15). La Ecuación 4‐5 muestra la ecuación del ajuste  0.8892

0.07556 

Ecuación 4‐5 

  Calibración Barranquilla - Hs 5 4.5 4

Hs Medición (m)

3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

0

1

2 3 Hs Modelo (m)

4

5

 

Figura 4.15 Corrección de Hs por medio de ajuste de cuantiles‐ Barranquilla 

Este ajuste tiene un R2 de 0.98, y un error cuadrático medio de 0.1m. Esto representa un muy buen  ajuste, mejor que los ajustes anteriores. Se escoge esta ecuación como ecuación de corrección.  Para  el  caso  del  periodo,  se  ve  que  los  periodos  se  acercan  relativamente  bien  al  ajuste,  pero  existe  el  mismo  problema  con  los  periodos  mayores  de  10  segundos  que  se  evidenció  en  la  comparación  de  las  distribuciones  Gumbel  (Figura  4.14).  Esto  implica,  que  si  bien  se  puede  usar  una  corrección  buena  para  los  regímenes  medios,  se  deben  tener  en  cuenta  los  problemas  que  aparecen  en  el  caso  de  los  periodos  extremos.  La  ecuación  de  corrección  es  mostrada  en  la  Ecuación 4‐6. Este ajuste tiene un R2 de 0.93 y un error cuadrático medio de 0.33s. 

58  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  1.241

0.2973 

Ecuación 4‐6 

  Calibración Barranquilla - Tp 16 14

Tp Medición (s)

12 10 8 6 4 2 0 0

2

4

6 8 10 Tp Modelo (s)

12

14

16

 

Figura 4.16 Corrección de Tp por medio de ajuste de cuantiles‐ Barranquilla 

4.5.2. Comparación Boya Puerto Bolívar  La comparación con la boya de Puerto Bolívar se hace con el registro de la boya desde que empezó  a  funcionar  en  Noviembre  de  2007,  hasta  el  31  de  diciembre  de  2008.  Este  es  un  periodo  significativamente menor que el de la boya de Barranquilla.  Dominio del tiempo    Altura de Ola‐Hs  Al comprar la serie de Puerto Bolívar en el dominio del tiempo con la modelación se observa que,  al igual como ocurre con la serie de Barranquilla, ambas series son muy similares (Figura 4.17) y se  encuentran en fase. A diferencia de barranquilla, la gráfica muestra que la altura de ola simulada  con el SWAN está algo subestimada. 

59  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

  Figura 4.17 Comparación de Hs – Modelo SWAN y Registro Boya Puerto Bolívar 

Se realiza un ajuste lineal de los puntos, el cual se muestra en la Figura 4.18. La ecuación del ajuste  se muestra en la Ecuación 4‐7.  0.9108

0.423 

Ecuación 4‐7 

Este ajuste tiene un R2 de 0.4 y un error cuadrático medio de 0.32m , que corresponde al 22% del  valor medio de las alturas de ola. 

  Figura 4.18 Ajuste Hs Modelo SWAN vs Registro Boya Puerto Bolívar 

60  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)     Periodos Pico ‐ Tp 

Al  observar  la  comparación  de  los  periodos,  se  observa  nuevamente  que  ambas  series  están  en  fase, y que los datos simulados siguen las variaciones de los del registro de la boya (Figura 4.1). De  nuevo,  como  se  observó  en  la  comparación  con  los  periodos  de  la  boya  de  barranquilla,  los  periodos pico son subestimados por el modelo SWAN. 

  Figura 4.19 Comparación de Tp – Modelo SWAN y Registro Boya Puerto Bolívar 

El ajuste lineal de los periodos, se hace fijando el intercepto con el eje “y” igual a cero. Con estas  condiciones, la ecuación de ajuste se muestra en la Ecuación 4‐8. Este ajuste tiene un R2 de ‐0.06 y  un  error  cuadrático  medio  de  1.36  s  que  corresponde  al  16%  del  valor  promedio  del  periodo.  Como en el caso de Barranquilla, el R sugiere que el ajuste lineal a estos datos no es bueno.  1.230 Ecuación 4‐8 

61  

 

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

  Figura 4.20 Ajuste Tp Modelo SWAN vs Registro Boya Puerto Bolívar 

Dirección  Tanto la comparación de las series de dirección (Figura 4.21), como el ajuste de los datos (Figura  4.22), muestran que las direcciones de la boya de Puerto Bolívar son simuladas coherentemente. 

  Figura 4.21 Comparación de Dir– Modelo SWAN y Registro Boya Puerto Bolívar 

62  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)  

  Figura 4.22 Ajuste Dir Modelo SWAN vs Registro Boya Puerto Bolívar 

Dominio de la frecuencia – Variabilidad temporal  Al igual que con la boya de Barranquilla, para hacer el análisis de frecuencias se debieron incluir  outliers  en  las  series  para  contar  un  periodo  suficientemente  largo  para  que  los  análisis  fueran  válidos (ver sección Comparación Boya Barranquilla). El análisis se hace sobre el periodo más largo  encontrado, es decir desde noviembre del 2007 hasta abril del 2008.  Análisis de Frecuencias - Hs -Puerto Bolivar - Noviembre 2007 a Abril 2008

4

10

Simulación Boya 3

10

2

10

1

10

0

Energía

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

-3

10

-2

10

Frecuencia (1/Hora)

-1

10

 

Figura 4.23 Espectros de Fourier de las series de Hs para el modelo SWAN y la boya de Puerto Bolívar  

63  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

  Si bien las graficas de los espectros de frecuencias de la altura de ola tiene formas similares (Figura  4.23), no se tienen las coincidencias presentes en las comparaciones con la boya de barranquilla,  donde los picos energéticos del ciclo diurno saltaban a la vista (ver sección 4.5.1). En el caso de los  espectros  de  frecuencias  de  los  periodos,  la  gráfica  no  muestra  similitud  entre  las  series  (Figura  4.24)  Análisis de Frecuencias - Tp -Puerto Bolivar - Noviembre 2007 a Abril 2008

4

10

Simulación Boya 3

10

2

10

1

10

0

Energía

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-5

10

-3

10

-2

10

Frecuencia (1/Hora)

-1

10

 

Figura 4.24 Espectros de Fourier de las series de Tp para el modelo SWAN y la boya de Puerto Bolívar 

Dominio de la probabilidad  Al ajustar las series a una distribución gumbel y graficarlas juntas, se ven fenómenos que también  ocurren en la comparación con la boya de Barranquilla. Para el caso de las alturas de ola, ambas  distribuciones son muy similares, pero a diferencia de Barranquilla, en este caso la modelación del  SWAN se encuentra subestimada con respecto a la boya de Puerto Bolívar (Figura 4.25). 

64  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)   Ajuste Gumbel Puerto Bolivar - Hs 8 Simulación Boya 7

6

Hs(m)

5

4

3

2

1

0 0.10

0.30 0.50

0.70

0.80

0.90

0.95

0.98 0.99 Probabilidad

0.995

0.999

0.9999

 

Figura 4.25 Ajuste de Hs a la distribución Gumbel ‐ SWAN y Boya Puerto Bolívar 

Para  el  caso  de  los  periodos  pico,  ocurre  lo  mismo  que  con  la  baya  de  Barranquilla,  se  ve  una  relativa similitud  entre ambas distribuciones, pero a  partir de valores de altas probabilidades de  no excedencia (98%) y periodos mayores de 10 segundos, la similitud se pierde (Figura 4.26).  Ajuste Gumbel Puerto Bolivar - Hs 15 Simulación Boya

Tp(s)

10

5

0 0.10

0.30 0.50

0.70

0.80

0.90

0.95

0.98 0.99 Probabilidad

0.995

0.999

0.9999

 

Figura 4.26 Ajuste de Tp a la distribución Gumbel ‐ SWAN y Boya Puerto Bolívar 

Corrección  Para calibrar las series se aplica un análisis de cuantiles descrito en la sección 4.5.1. Para la serie de  altura de ola se encuentra que el ajuste se asemeja mucho a la línea recta (Figura 4.27 Corrección  de Hs por medio de ajuste de cuantiles –Puerto Bolívar) La ecuación de corrección usada será la 

65  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  ecuación  del  ajuste  (Ecuación  4‐9)  el  cual  tiene  un  R2  de  0.98,  y  un  error  cuadrático  medio  de  0.41m.   1.417

0.1565 

Ecuación 4‐9 

  Calibración Puerto Bolivar - Hs 3.5

3

Hs Medición (m)

2.5

2

1.5

1

0.5

0

0

0.5

1

1.5 2 Hs Modelo (m)

2.5

3

3.5

  Figura 4.27 Corrección de Hs por medio de ajuste de cuantiles –Puerto Bolívar 

  En el ajuste de los periodos, se observa que los periodos de los casos extremos no se ajustan a la  línea  recta  (Figura  4.28),  lo  cual  es  coherente  con  el  análisis  en  el  dominio  de  la  probabilidad,  aunque el resto de los datos se ajusta relativamente bien: La Ecuación 4‐10  muestra el ajuste, el  cual tiene R2 de 0.96, y un error cuadrático medio de 0.2 s.  1.818 Ecuación 4‐10 

.  

66  

2,844 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Calibración Puerto Bolívar - Tp 16 14

Tp Medición (s)

12 10 8 6 4 2 0 0

2

4

6 8 10 Tp Modelo (s)

12

14

16

 

Figura 4.28 Corección de Tp por medio de ajuste de cuantiles –Puerto Bolívar 

4.5.3. Ecuaciones de corrección escogidas  Al hacer el análisis de error, salta a la vista la subestimación de los periodos pico en ambas boyas s,  lo cual era una situación esperada ya que es bien conocido que el SWAN subestima el periodo de  pico(TUDelft,  2009).  Por  otro  lado,  se  presenta  una  situación  particular  al  mirar  el  caso  de  las  alturas de ola. En la boya de barranquilla, se puede ver que la altura de ola del modelo es mayor  que  la  registrada  por  la  boya  (Figura  4.5)  lo  cual  se  confirma  y  se  ve  de  forma  más  clara  al  comparar  las  series  en  el  dominio  de  la  probabilidad  (Figura  4.13).  Para  el  caso  de  la  boya  de  Puerto Bolívar, se presenta la situación inversa ya que las mediciones de la boya son mayores a los  resultados que presenta el modelo (Figura 4.25), lo que se confirma asimismo en la comparación  de las distribuciones Gumbel (Figura 4.25)  Esta situación se puede deber principalmente a las consideraciones de modelación que tienen que  ver  con  las  condiciones  de  contorno,  donde  no  se  consideran  flujos  a  través  de  las  Antillas  menores.  Esto sugiere que para el oleaje en Puerto Bolívar estos flujos pueden ser  importantes,  mientras que el oleaje presente en Barranquilla es generado enteramente en la cuenca Caribe por  la  acción  de  los  Alisios.  Adicionalmente,  la  malla  computacional  corta  la  zona  de  estudio  por  el  meridiano 66N (Figura 4.3) y esto ocasiona que se pierda parte del “fetch” para la zona de Puerto  Bolívar, y consecuentemente presente alturas de ola menores  De  acuerdo  con  el  análisis  anterior,  se  propone  el  uso  de  ambas  ecuaciones  de  corrección,  dependiendo de la zona del país, de acuerdo con el “fetch” dominante de la zona. Para las zonas  de  la  costa  Caribe  al  noroeste  de  la  Sierra  Nevada  de  Santa  Marta,  se  propone  el  uso  de  las  ecuaciones de corrección encontradas para Puerto Bolívar. Para las zonas de la costa al Sureste de  la Sierra Nevada, se propone el uso de las ecuaciones de corrección usadas para Barranquilla, lo  que se ilustra en la Figura 4.29.  

67  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Por  consiguiente,  para  las  series  de  Isla  Fuerte  se  usarán  las  ecuaciones  de  corrección  de  Barranquilla, es decir la Ecuación 4‐5 para Hs y la Ecuación 4‐6 para Tp. 

  Figura 4.29 Zonificación de la corrección. Fuente imagen: Google Earth 

Las ecuaciones de corrección escogidas muestran buenos ajustes en los casos donde se está en el  régimen  medio  de  oleaje.  En  el  régimen  extremal,  tanto  las  alturas  de  ola  extremas  como  los  periodos  pico  extremos  no  se  ajustan  a  los  resultados  del  modelo.  Esto  es  más  visible  en  los  periodos extremales, donde hay una distribución completamente distinta de las probabilidades de  ocurrencia  para  los  periodos  mayores  de  10  segundos.  Esta  situación  se  puede  deber  principalmente a que los vientos de reanálisis del NARR, si bien siguen la distribución espacial en  los huracanes, subestiman en gran medida las velocidades del viento (ver sección 4.1.2). De todas  maneras  esto  no  representa  un  problema  mayor  debido  a  que  cuando  se  genera  energía  se  aprovecha  el  oleaje  en  condiciones  medias.  Aunque  los  oleajes  extremos  transportan  gran  cantidad de energía, esta no se aprovecha debido a que existe un riesgo de dañar los equipos de  generación.  Además,  debido  a  que  los  eventos  extremos  pueden  ocurrir  en  cualquier  momento,  estos no se planifican en la operación de largo plazo de la planta. 

4.6.Mapas Energéticos (Paso 3)  Para ilustrar la distribución de energía en los alrededores de la Isla, se propone propagar ciertos  casos  característicos  para  generar  mapas  energéticos.  Estos  mapas  energéticos  se  convierten  en  una  herramienta  poderosa  para  entender  y  visualizar  en  qué  lugares  de  la  isla  hay  mayores  recursos energéticos, de forma simple y ágil.  Los mapas se harán para la zona que comprende la  malla anidada número 4 (Figura 4.30), que presenta un plano general de la isla a un buen nivel de  detalle, con una resolución espacial de 300m.  

68  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 4.30 Malla Anidada No. 4 

  4.6.1. Escogencia de Casos para la generación de Mapas Energéticos  Para la escogencia de los casos de propagación se escoge un punto aguas afuera de la Isla, ubicado  en las coordenadas 76.1827 W y 9.4664 N, y se genera una serie de oleaje dicha ubicación. Esta  serie  es  analizada  y  se  escogen  casos  característicos  se  escogen  de  tal  forma  que  provean  una  visión global de la potencia del oleaje en la Isla, y su escogencia está basada en diferentes criterios.  En total se escogen 30 casos, de usando 3 métodos. El primero es la probabilidad de ocurrencia  conjunta  de  alturas  de  ola  y  periodos,  que  permite  escoger  los  casos  más  comunes.  El  segundo  escoge  casos  de  acuerdo  percentiles  representativos  de  la  energía  presente.  El  tercer  método,  utiliza un algoritmo de clusterización para seleccionar característicos de la serie.   Tradicionalmente,  las  características  del  oleaje  en  los  casos  de  propagación  escogidos  son  aplicadas  sobre  la  longitud  de  uno  de  los  contornos  de  la  malla  computacional  y  se  hace  la  propagación  usando  esa  condición  de  contorno.  Esto  acarrea  problemas  debido  a  que  no  se  consideran  los  fenómenos  que  ocurren  en  los  otros  contornos,  y  generalmente  presente  situaciones irreales. Para mantener coherencia en las condiciones de frontera no se escogerá un  caso  de  oleaje  para  aplicarse  a  un  sobre  un  contorno  de  una  batimetría  de  detalle.,  sino  que  se  propagará el oleaje en la fecha y hora donde se presente el clima marítimo más cercano al caso  escogido. De esta manera, se elimina el problema de las condiciones de contorno, y no se tienen  situaciones irreales de propagación.  Se  debe  notar  que  debido  a  este  procedimiento,  los  valores  de  energía  de  estos  mapas  no  se  encuentran  corregidos,  sin  embargo  esto  no  es  un  impedimento  para  cumplir  con  su  función 

69  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

  principal  de  identificar  los  sitios  con  más  energía.  Los  métodos  de  escogencia,  y  los  casos  escogidos en cada uno se presentan a continuación.  Casos escogidos  ­ Probabilidad conjunta  Se  escogen  los  5  casos  que  tengan  mayor  probabilidad  conjunta  de  ocurrencia  de  Hs  y  Tp.  Para  determinar la probabilidad conjunta, se hace un análisis de la serie donde se busca la probabilidad  de  ocurrencia  de  una  pareja  de  datos  de  altura  de  ola  significante  y  periodo.  La  probabilidad  se  encuentra contando los casos donde la altura y el periodo ocurren simultáneamente, y dividendo  por el número total de casos. Se construye una gráfica que muestra la probabilidad conjunta de  ocurrencia  y  se  seleccionan  los  casos  correspondientes  a  las  mayores  probabilidades  de  ocurrencia. La Figura 4.31 muestra la gráfica de probabilidad conjunta de Hs y Tp  Probabilidad conjunta de Hs y Tp omnidireccional 10

0.012

9 0.01

8

0.008

Tp (s)

7

6

0.006

5 0.004

4

0.002 3

2

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Hs (m)

0

 

Figura 4.31 Probabilidad Conjunta Hs y Tp 

Como se observa en la gráfica, los casos más con más probabilidad ocurren con periodos cercanos  a  los  4  segundos,  y  alturas  de  ola  cercanas  a  los  0.6  m.  Debe  tenerse  en  cuenta  que  estos  son  datos sin corregir. La  Tabla 4‐3, muestra las fechas  y horas en las que ocurren el  estado de mar  más cercano a las mayores probabilidades de excedencia.  Tabla 4‐3Casos Escogidos de acuerdo con la probabilidad conjunta 

 CASO 1 2 3 4 5

70  

Año 1981 1988 1983 1990 1996

Mes 9 10 8 6 2

Día 26 27 31 12 18

Hora 12 4 7 10 0

Hs (m) 0.6002 0.5014 0.6 0.6996 0.6004

Tp (s) 3.9003 4.001 4.0013 3.9992 4.0995

  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

  Casos escogidos ­Percentiles de potencia  Los  5  siguiente  casos  que  correspondientes  los  percentiles  de  potencia.  Para escogerlos  se  debe  calcular la potencia presente en el oleaje, en términos de Hs y Tm, por medio de la aproximación   A  la  serie  de  potencia  se  la  calculan  los  percentiles  de  de  25%,  50%,  75%,  90%  y  0.5 95%., lo que representan las probabilidades de no excedencia de dichos valores. Estos se muestran  en la Figura 4.32.  Percentiles de Potencia - Offshore 1

0.9

0.8

0.7

Probabilidad

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

Distribución Quartil de Potencia Quartil de Potencia Quartil de Potencia Quartil de Potencia Quartil de Potencia

0.1

0

0

1

2

3

4

5 Potencia (kW/m)

6

7

8

del del del del del

25% 50% 75% 90% 95%

9

= = = = =

0.3933 0.7495 1.475 2.723 3.756 10

 

Figura 4.32 Percentiles de Potencia 

Los  casos  de  percentiles  de  potencia  dan  una  idea  de  la  energía  disponible,  y  al  propagarse,  ilustran  la  distribución  de  energía  en  la  isla,  la  cual  se  puede  comparar  para  distintos  niveles  de  energía. En la Tabla 4‐4, se muestran los percentiles de potencia, la potencia presente en cada uno  de ellos, y la fecha y hora donde se tiene el caso más cercano.  Tabla 4‐4 Casos Escogidos correspondientes a los percentiles de potencia 

 CASO 6 7 8 9 10

Año 1993 2000 1987 2003 1990

Mes 1 12 3 1 3

Día 8 23 30 27 20

Hora 6 9 7 22 10

Potencia (Kw/m) 0.3933 0.7495 1.4752 2.7227 3.7565

Percentil 25 50 75 90 95  

Casos escogidos – Algoritmo K­means  Se escogen 20 casos usando algoritmo k‐means (MacQueen, 1967) teniendo en cuenta 5 variables:  Hs,  Tp,  Dir,  velocidad  del  viento  en  dirección  U  y  velocidad  del  viento  en  dirección  V.    Se  debe  destacar  que  se  tienen  en  cuenta  las  direcciones  de  los  vientos  locales,  ya  que  estas  tienen  incidencia  sobre  los  casos  de  oleaje  que  ocurren,  y  pueden  ser  tratadas  fácilmente  como  una 

71  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  variable  más  por  el  algoritmo  k‐means.  Se  escoge  este  algoritmo  específico  porque  es  ampliamente  utilizado  para  agrupar  datos  con  muchas  variables.  El  algoritmo  parte  el  conjunto  total de datos en k subconjuntos, donde todos los elementos tienen propiedades similares y una  distancia  a  un  centroide  que  los  representa.  El  algoritmo  funciona  por  medio  de  medir  las  distancias  de  los  datos  a  lo  centroides,  e  iterar  para  que  cada  dato  pertenezca  a  un  conjunto  donde  todos  los  elementos  comparten  la  propiedad  de  tener  una  distancia  mínima  a  un  mismo  centroide.  Así  se  obtienen  k  categorías  de  datos  para  una  misma  muestra  (Ver  Anexo  II‐  Descripción  del  algoritmo  k‐means).  El  algoritmo  se  corre  para  20  casos  usando  las  5  variables  enumeradas  anteriormente  y  se  determinan  los  20  centroides.  Los  casos  escogidos  serán  los  puntos  más  cercanos  a  dichos  centroides,  y  se  convierten  en  una  muestra  representativa  del  conjunto de todos los casos que ocurren. La Tabla 4‐5 muestra los datos escogidos y las fechas en  las cuales ocurren.  Tabla 4‐5 Casos escogidos usando el algoritmo k‐means 

 CASO 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Año 1979 1984 1984 1985 1986 1986 1986 1986 1991 1991 1993 1996 1997 1998 1998 1999 2000 2003 2004 2005

Mes 2 10 6 10 4 9 2 4 1 4 8 9 11 10 12 8 3 5 3 2

Día 9 7 16 28 7 12 16 8 11 27 24 29 12 9 20 21 13 13 5 28

Hora 20 13 23 13 4 23 11 5 4 14 14 17 9 13 11 22 2 6 18 17

Hs (m) 0.9 0.5 0.9 0.3 1.6 0.7 1.2 1.2 0.8 0.7 0.8 0.5 0.5 0.4 0.8 0.5 0.8 1 1.2 0.6

Tp (s) 4.8 3.9 4.2 13.6 6.7 4.4 6.4 5.7 5.9 5.3 4.3 3.7 4.2 4.3 5.4 4 4.8 6.3 6.8 4.1

Dir (°) 334.3 302.1 304.5 327.9 357.7 326.5 356.5 351.7 347.1 337.7 294.8 255.3 336.8 326.1 355.4 322 349.6 337 349.1 311.1

U (m/s) 3.2 3 6 0.6 ‐1.4 3.1 ‐1.4 0.2 1.5 2.6 5.7 3.4 0.7 ‐0.2 ‐1.3 2.2 0.4 4 1.9 4.4

V (m/s) ‐5.4 1.5 ‐2.7 0.2 ‐7 ‐3.7 ‐4.3 ‐6.8 ‐2.5 0 0.7 2.5 ‐2.5 0.8 ‐2.5 ‐1 ‐5.3 ‐1 ‐3.6 ‐1.2  

4.6.2. Resultados  Para cada uno de los casos se construye un mapa energético que ayuda a visualizar los flujos de  energía  en  la  Isla,  y  los  lugares  donde  hay  mayor  recurso  energético.  La  Figura  4.33  muestra  algunos  de  los  mapas  energéticos  de  la  Isla.  En  estos  casos  se  muestra  el  oleaje  incidiendo  en  diferentes  direcciones  y  con  distintos  valores  de  potencia.  El  resto  de  los  mapas  se  puede  visualizar en el Anexo III – Mapas Energéticos, 

72  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 4.33 Algunos de los mapas energéticos 

En términos generales, se observa que los sitios con más concentración de energía en la cercanías  de la Isla es el sector al norte de la Isla, así como el bajo El Bobito, ubicado al este de la isla. Esto  sirve como elementos de juicio para escoger el sitio óptimo para generar. El este y el sur de la Isla  se descartan como zonas con generación posible, ya que la isla actúa como barrera del oleaje. 

4.7.Escogencia Sitios de Generación (Paso 4)  A continuación se presenta la forma como se escoge el sitio para ubicar la planta. Esto se basa en  un  análisis  de  la  disponibilidad  de  la  energía  y  en  condiciones  físicas  y  ambientales  de  la  Isla,  teniendo en cuenta una serie de criterios que deben cumplirse para que una planta sea factible. 

73  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  4.7.1. Criterios de selección de sitio  Para escoger el sitio óptimo para la generación se tuvieron en cuenta varios criterios que buscan  generar en el sitio más óptimo. Estos criterios se enumeran y describen a continuación.  Energía: El primer criterio es naturalmente el de la energía, ya que se busca aprovechar los sitios  donde haya mayor disponibilidad del recurso.   Distancia a la Isla: Se busca que los sitios de generación estén lo más cerca posible a la isla, para  disminuir  los  costos  del  cableado  submarino  o  de  alguna  conexión  energética  a  la  isla.  Por  otra  parte,  deben  estar  lo  suficientemente  alejados  para  no  causar  un  impacto  visual  y  sonoro  importante, y para no interferir con las actividades marítimas desarrolladas por los pobladores  Profundidad:  Se  deben  escoger  profundidades  entre  los  15  y  los  30m,  ya  que  la  mayoría  de  tecnologías de generación existentes están pensadas para trabajar a profundidades intermedias o  mayores  (ver  Capítulo  5)  y  profundidades  mayores  a  este  rango  implicarían  altos  costos  y  requieren actividades de buceo especializadas. La mayoría de agencias de buceo no recomiendan  bucear  a  profundidades  mayores  de  30m/100ft  debido  a  los  peligros  posibles.  Ubicar  la  infraestructura a profundidades menores de 30 metros facilita en gran medida la inspección y el  mantenimiento de las unidades.  Además, en estas profundidades todavía no se ha entrado en la zona de aguas someras, donde los  procesos de transformación del oleaje y la rotura ocasionan pérdidas de energía importantes.  Ecosistemas:  Debido  a  que  los  corales  de  Isla  Fuerte  son  un  ecosistema  frágil  que  se  encuentra  amenazado  por  varios  factores,  (ver  sección  2.3.2)  la  infraestructura  de  generación  no  puede  convertirse  en  un  factor  adicional  que  cree  presiones  sobre  el  ecosistema.  Por  tal  razón,  la  infraestructura  no  debe  ubicarse  sobre  o  muy  cerca  a  formaciones  coralinas,  para  evitar  daños  ambientales. Asimismo, el paso del cable submarino sobre los mismos debe evitarse en lo posible,  o hacerse de la forma menos intrusiva posible,  4.7.2. Identificación del Sitio de Generación  Mirando  los  mapas  de  potencia  en  la  Isla,  y  tomando  en  cuenta  los  criterios  presentes  en  la  sección  4.7.1,  se  escoge  un  sitio  para  ubicar  la  estructura  de  generación  localizado  en  las  coordenadas  9.408°  N  y  76.180°  W,  en  la  zona  norte  de  la  Isla.  Las  razones  para  escogerlo  son  varias, pero la principal es la potencia presente, ya  muestran que es un punto que se localiza al  norte  de  la  Isla  cual  es  un  lugar  con  un  buen  flujo  de  energía,  según  lo  que  se  muestra  en  los  mapas energéticos. El otro sitio con buenos valores de energía era el Bajo El bobito, sin embargo,  debido  a  la  poca  profundidad  que  presenta  (5‐10  metros,  ver  Figura  4.34)  este  debe  ser  descartado  ya  que  pocas  tecnologías  operan  a  estas  profundidades  y  la  infraestructura  puede  dañarse severamente en casos de olaje extremo.   El sitio escogido de generación se encuentra a una profundidad de 29 metros, y se muestra en la  Figura 4.33 marcado con una estrella. Si bien existen sitios con mayor potencia al norte y al oeste 

74  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  de  este  sitio,  las  profundidades  incrementan,  haciendo  muy  complicada  la  instalación  y  el  mantenimiento de las plantas de generación.  Batimetría Isla Fuerte Res: 300 m

9.43 40

35

45

9.42

9.41 50

30 10

9.4

15

25 20

LAT

9.39

9.38

45

5 10

5

20

40

9.37 10

15

9.36

35

30

25

9.35

9.34

-76.22

-76.21

-76.2

-76.19 -76.18 LON

-76.17

-76.16

-76.15

 

Figura 4.34 Batimetría de la isla y localización planta de generación 

El sitio escogido se encuentra a un kilómetro y medio de la línea de costa hacia el norte. Esta es  una  distancia  razonable  para  la  ubicar  infraestructura  la  infraestructura  de  generación,  ya  que  mayores distancias acarrearían mayores costos. Además, a esta distancia la infraestructura no se  ubicaría sobre una zona de coral, donde podría vulnerar el ecosistema (Figura 4.35).  

  Figura 4.35 Ubicación Aproximada de la estructura de generación con respceto a los corales 

75  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  Vale  la  pena  decir  que  el  sitio  escogido  es  propenso  a  mejorarse,  si  se  tienen  costos  claros  del  valor de la infraestructura de generación y de los costos del cable submarino. Al no tener costos  concretos de las tecnologías porque la mayoría están en estado de desarrollo (ver Capítulo 5), una  optimización  del  sitio  se  hace  complicada  y  poco  válida,  sin  embargo  presenta  una  interesante  línea de investigación a futuro. Por el momento, se harán los análisis de energía en dicho punto. 

4.8.Análisis de la serie de oleaje en el sitio de generación (Paso 5)  Una  vez  se  escoge  el  sitio  de  generación,  la  serie  de  oleaje  se  corrige  usando  la  ecuación  de  corrección mostrada en la sección 4.5.3. Con la serie corregida, se hace un análisis para describir  las características del oleaje en la Isla.  4.8.1. Rosa de Oleaje  Se construye una rosa de oleaje para la serie de altura de ola generada para el sitio de generación,  la cual se muestra en la Figura 4.1.De acuerdo con esto, el oleaje más importante viene del NNO, y  en menor medida desde el NO. Es interesante que la serie presente estas direcciones, ya que los  vientos de la zona soplan predominantemente desde el NE y NNE (ver sección 2.3.1) y las series de  boyas virtuales aguas profundas también obedecen a estas direcciones (Mesa, 2009) (ver sección  2.2.1).  El  hecho  que  el  oleaje  haya  tenido  un  cambio  tan  significativo  de  dirección,  evidencia  la  gran  importancia  que  tiene  la  plataforma  continental  en  la  propagación  del  oleaje  de  la  zona  desde  las  aguas  profundas  hacia  las  costeras.  Este  cambio  de  dirección  podría  estar  asociado  a  pérdidas importantes de energía.  N

W

45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 2% 2% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45%

S

75%

E

50%

25%

Quartiles de Hs

 

Figura 4.36 Rosa de Oleaje para Hs en el Sitio de Generación 

4.8.2. Histogramas  Una  mirada  al  histograma  de  alturas  de  ola  (Figura  4.37)  muestra  ver  que  la  altura  de  ola  más  común  corresponde  a  los  0.5m.  Comparando  este  valor  con  el  valor  en  aguas  profundas,  se  confirma que el oleaje pierde mucha energía en la propagación hacia la costa. 

76  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)   Histograma de Hs 10

9

8

Frecuencia de ocurrencia (%)

7

6

5

4

3

2

1

0

0

0.5

1

1.5 Hs(m)

2

2.5

3

  Figura 4.37 Histograma de Hs en el sitio de generación 

El histograma de periodos muestra que los periodos más comunes están alrededor de los 5 y los 6  segundos  (Figura  4.38),  y  a  partir  de  los  10  segundos  la  ocurrencia  es  muy  poca.  Asimismo,  los   periodos pico con valores menores de 2 segundos son muy poco frecuentes.  Histograma de Tp (s) 30

25

Frecuencia de ocurrencia (%)

20

15

10

5

0

0

5

10

15

20

Tp (s)

  Figura 4.38 Histograma de Tp en el sitio de generación. 

77  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)   4.8.3. Probabilidad Conjunta  La gráfica de probabilidad conjunta muestra que los casos con mayor probabilidad de ocurrencia  están entre los 4 y los 6 segundos, con alturas de ola entre los 0.4 y los 0.6 m (Figura 4.39). Estos  valores son coherentes con los valores de los histogramas presentados en la sección 4.8.2. 

  Figura 4.39 Probabilidad Conjunta Hs y Tp 

Se puede observar que los casos más comunes tienen valores bajos de energía, entre los 0.2 y 0.5  kW/m, aunque hay una cantidad considerable de valores en niveles de energía un poco más altos  entre 0.5 y 2 kW/m. La probabilidad de tener estados de mar con potencias mayores de 4 kW/m  es muy baja.  4.8.4. Variabilidad Temporal de la Serie  Al  analizar  las  frecuencias  predominantes  en  la  serie  de  Hs  por  medio  de  un  análisis  usando  la  transformada  rápida  de  Fourier,  se  observa  que  la  serie  es  sensible  a  ciclos  importantes  que  fuerzan el clima de la zona de estudio (ver sección 2.3). En escalas de tiempo cortas, se resalta la  energía  presente  en  el  la  frecuencia  correspondiente  a  24  horas,  es  el  ciclo  diurno  y  en  la  frecuencia  de  12  horas  o  el  ciclo  semidiurno.  En  menor  medida  se  observan  frecuencias  que  corresponden a fracciones del cliclo diurno (Figura 4.40).  

78  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 4.40 Espectro de Frecuencias para Hs – Serie horaria 

Para realizar un análisis en escalas de tiempo mayores, se debe agregar la serie para convertirla en  una  serie  con  resolución  mensual  (Figura  4.41).  Esto  se  hace  con  el  fin  de  eliminar  el  ruido  presente  por  frecuencias  cortas.  Al  hacer  graficar  el  espectro  de  potencias  de  la  serie  mensual  aparecen claramente las variaciones del ciclo anual y  la del ciclo semi‐anual, que está relacionada  con  el  paso  de  la  ZCIT.  Adicionalmente,  aparece  una  frecuencia  de  3  años,  la  cual  puede  corresponder  al  fenómeno  de  El  Niño  y  la  Oscilación  del  Sur  –  ENSO.  Sin  embargo  no  hay  suficientes elementos para afirmarlo. 

  Figura 4.41 Espectro de Potencias para Hs– Serie mensual 

79  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

4.9.Potencia   4.9.1. Corrección de la Potencia  Si bien existen muchas aproximaciones para calcular la potencia de un estado de mar a partir de  Hs y Tp, estas son más simples en aguas profundas donde se puede usar la teoría lineal de ondas,  que en aguas someras donde se vuelven más complicadas de usar debido a las transformaciones  del  oleaje  Por  esta  razón,  en  aguas  intermedias  o  someras  es  mejor  usar  el  valor  de  la  integral  debajo del espectro de oleaje (Ecuación 4‐11).   

,

 

 

 

Ecuación 4‐11 

El modelo SWAN calcula el transporte de energía, o la potencia presente, en las direcciones x y y,  en la dirección de la malla computacional escogida.(TUDelft, 2009).  Al hacer una suma vectorial  de estos parámetros se obtiene el valor de la integral bajo el espectro (Iglesias & Carballo, 2009).  Las componentes y la suma vectorial se muestran en la Ecuación 4‐12.   

,

 

 

 

   

,

 

 

 

  Ecuación 4‐12 

Sin embargo, el valor de potencia que arroja el modelo no se encuentra calibrado, por lo tanto se  propone el siguiente método para encontrar valores de energía corregidos.  En la sección 4.5, se corrigió la altura de ola y el periodo pico. A partir de estos dos parámetros se  puede calcular la potencia presente en un estado de mar a partir del cuadrado de Hs, multiplicado  por  Tp  y  por  un  coeficiente  que  representa  de  la  celeridad  de  grupo  de  las  olas  en  el  sitio  de  generación. Este coeficiente ε, relaciona la potencia presente con los valore de Hs y Tp, como lo  muestra la Ecuación 4‐13.    Ecuación 4‐13 

Como  calcular  el  valor  de  la  celeridad  de  grupo  en  aguas  someras  puede  acarrear  cálculos  muy  complicados se propone un enfoque distinto para encontrar la potencia en términos de las serie  de Hs y Tp corregida. Para cada estado de mar el Modelo SWAN calcula P (según la Ecuación 4‐12)  ,Hs, y Tp. Esto quiere decir que es posible encontrar un valor del coeficiente ε para cada uno de los  n estados de mar de las series, de acuerdo con la Ecuación 4‐14. 

80  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

    Ecuación 4‐14 

Para encontrarse un coeficiente εc único para aplicarse a la serie calibrada se calcula el promedio  de la serie de coeficientes ε (Ecuación 4‐15)  /   Ecuación 4‐15 

El coeficiente único εc se aplica a cada uno de los elementos de la serie de Hs y Tp calibradas de  acuerdo  con  lo  descrito  en  la  sección  4.5.3,  para  obtener  la  potencia  calibrada  Pcal,  para  cada  estado de mar i, lo que se muestra en la Ecuación 4‐16.    Ecuación 4‐16 

Al aplicarse este procedimiento a las series generadas en el punto escogido para la generación de  energía,  se  obtiene  un  coeficiente  de  relación  0.3444.  Para  confirmar  que  el  enfoque  escogido sea coherente y no represente grandes errores en la potencia, se realiza un ajuste lineal  de  la  potencia  calculada  con  la  integral  bajo  del  espectro  contra  la  potencia  calculada  con  el  coeficiente   aplicado al producto de Hs2 por Tp. (Figura 4.42) 

81  

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

 

  Figura 4.42 Comparación Cálculos de Potencia 

0.9905

0.022 

Ecuación 4‐17 

Un ajuste lineal de los datos tiene un valor de R2 de 0.98 y un error cuadrático medio de 0.1 kW/m.  La  ecuación  del  ajuste  (Ecuación  4‐17  )  sugiere  que  al  usarse  el  método  propuesto,  no  se  cometerán grandes errores en el cálculo de la potencia.  4.9.2. Potencia  Una  vez  se  tiene  la  serie  horaria  de  potencia,  se  construye  una  gráfica  del  ciclo  anual  del  ciclo  diurno  (Figura  4.43).  Esta  gráfica  ayuda  a  visualizar  la  disponibilidad  promedio  del  recurso  energético del oleaje y sus variaciones en el día al tiempo que muestra las variaciones en el mes  del año, así como la dirección promedio del oleaje en dicha hora y mes. 

82  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)   Ciclo Anual del Ciclo Diurno - Potencia (kW/m) Enero

2

Febrero 1.8 Marzo 1.6 Abril

Mayo

1.4

Junio Mes

1.2 Julio 1

Agosto

Septiembre

0.8

Octubre 0.6 Noviembre 0.4

Diciembre

Enero

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 Hora

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

 

Figura 4.43 Ciclo Anual del Ciclo Diurno de la Potencia y Direcciones Promedio 

Como  se  puede  observar  en  la  Figura  4.43,  los  meses  donde  la  potencia  del  oleaje  es  mayor  corresponden a la temporada de verano fuerte de diciembre hasta abril, que es cuando los Alisios  del Noreste soplan con mayor intensidad, por la posición hacia el sur de la ZCIT (ver sección 2.3.1)  Coherentemente, hay potencia en mayo y junio y los meses con el menor transporte de energía  son septiembre, octubre y noviembre. Se observan valores intermedios en el mes de julio, el cual  probablemente esté relacionado con el veranillo de San Juan.   En  el  ciclo  diurno,  no  se observan  variaciones  importantes,  excepto  en  la  temporada  de  verano,  donde hay más potencia desde las 00h hasta el final de la tarde, comparado a la que hay entre el  final de la tarde y el principio de la noche.  Vale la pena notar que en la época con mayor potencia la dirección predominante del oleaje es el  NNE, mientras que en los otros meses hay direcciones desde el NE y NEE. Esto refleja que las olas  más energéticas vienen del NNE, lo que se evidencia en la Rosa de Oleaje de la serie de Hs (Figura  4.36).  La potencia promedio mensual, se presenta en la Figura 4.44. Está gráfica permite apreciar el ciclo  anual,  y  la  influencia  del  veranillo  de  San  Juan  en  el  mes  de  julio:  Según  la  gráfica  las  potencias  promedios son mayores en los meses enero febrero y marzo, donde tienen valores mayores a 1  kW/m. La gráfica también presenta los valores de los cuantiles de potencia del 10% y del 90%. La  línea del cuantil del 10% (en verde) no presenta variaciones importantes a lo largo del año, lo que  contrasta fuertemente con la línea del cuantil de 90% (en rojo). 

83  

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)   Promedio Potencia Omnidireccional Mensual (kW/m) 4 Potencia Promedio Cuantil del 10% Cuantil del 90% 3.5

3

Potencia (kW/m)

2.5

2

1.5

1

0.5

0 Enero

Febrero

Marzo

Abril

Mayo

Junio

Julio

Agosto

Septiembre

Octubre

Noviembre

Diciembre

Enero

 

Figura 4.44 Potencia Omnidireccional Mensual Promedio 

Una mirada a los percentiles de potencia muestra que el 50% del tiempo se tiene una potencia de  0.5kW/m en el sitio de generación. Los valores mayores de 1kW/m solamente ocurren el 25% del  tiempo,  y  los  mayores  de  2  kW/m  solo  ocurren  el  10%  del  tiempo.  La  gráfica  de  percentiles  y  probabilidades  de  ocurrencia  de  muestra  en  la  Figura  4.45.  Estos  son  valores  de  energía  muy  pequeños comparados con los que se encuentran en otros lugares del mundo, debido a la relativa  protección que tiene el Mar Caribe frente de las dinámicas marinas del Atlántico Norte.  Percentiles de Potencia - Sitio Generación 1 0.9 0.8

Probabilidad

0.7 0.6 0.5

Distribución Quartil de Potencia del Quartil de Potencia del Quartil de Potencia del Quartil de Potencia del Quartil de Potencia del

0.4 0.3 0.2

25% 50% 75% 90% 95%

= = = = =

0.2321 0.4921 1.04 2.017 2.848

0.1 0

0

1

2

3

4 5 6 Potencia (kW/m)

7

Figura 4.45 Percentiles de Potencia 

84  

8

9

10

 

Estudio de aprovechamiento de la energía del oleaje en Isla Fuerte (Caribe Colombiano)

 

  A primera vista, un proyecto de generación de energía usando el oleaje no parece factible. Pero  considerando que la demanda en Isla Fuerte es poca por el reducido número de habitantes y por  sus condiciones de vida, es posible que pueda utilizarse para el abastecimiento de la población que  allí  reside.  Adicionalmente,  el  oleaje  es  muy  energético  en  los  meses  de  diciembre  a  abril,  que  corresponden  con  la  temporada  vacacional  más  importante.  La  energía  generada  con  el  oleaje  podría convertirse en  un complemento importante a la infraestructura de generación existente, y  ayudaría a suplir la demanda del verano de principios de año.   

 

85