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Investigadores de cuatro universidades brasileñas han desarrollado un sistema flotante híbrido que combina turbinas sumergidas de energía mareomotriz con paneles solares instalados sobre plataformas tipo catamarán para la generación modular de electricidad en canales estuarinos. Simulado en el Canal do Boqueirão, en Maranhão, el proyecto mostró que una granja con 17 columnas y 138 unidades por columna produciría casi 24 GWh al año.
Brasil podría estar ante una solución inédita para generar energía renovable en regiones costeras sin construir presas ni ocupar grandes extensiones de tierra. Investigadores de la Universidad Federal de Maranhão, de la Universidad Federal de Itajubá, del Instituto Federal de Maranhão y de la Universidad Estatal de Campinas han desarrollado un sistema flotante que aprovecha simultáneamente la fuerza de las mareas y la radiación solar en canales estuarinos, donde los ríos se encuentran con el mar y las corrientes alcanzan velocidades capaces de mover turbinas con eficiencia comercial. El concepto fue publicado en la revista científica Energy Conversion and Management y presenta resultados de simulación que indican viabilidad técnica y económica.
El lugar elegido para el estudio de caso fue el Canal do Boqueirão, en Maranhão, una región con condiciones excepcionales para este tipo de generación. El canal presenta mareas con amplitudes superiores a 6 metros y corrientes que frecuentemente superan los 2,5 metros por segundo, lo que resulta en una densidad de potencia máxima de 7,63 kW por metro cuadrado y una densidad energética anual de 17,96 MWh por metro cuadrado. Además, la región recibe una fuerte irradiación solar de aproximadamente 5 a 5,5 kWh por metro cuadrado al día, lo que convierte el lugar en ideal para un sistema flotante que combine ambas fuentes de energía.
Cómo funciona el sistema flotante híbrido
Cada unidad del sistema flotante se compone de dos elementos integrados: una turbina hidrocinética sumergida y una plataforma solar en la superficie. La turbina utilizada es la Yarama, un modelo de eje horizontal con seis palas y difusor integrado, diseñada específicamente para condiciones de baja a media velocidad en estuarios y ríos. Posee una potencia hidráulica nominal de 5 kW, una potencia eléctrica efectiva de 4 kW, una velocidad de arranque de 0,5 metros por segundo y una velocidad de parada de 2,4 metros por segundo. El diámetro de la garganta es de 1,21 metros y el diámetro externo alcanza 1,64 metros.
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En la superficie, cada unidad del sistema flotante cuenta con una plataforma tipo catamarán de 4,5 metros de largo por 2 metros de ancho. Los pontones tienen 0,45 metros de diámetro y un soporte vertical de 1,5 metros conecta la estructura a la turbina sumergida. Sobre la plataforma, cuatro paneles solares con una eficiencia del 23% suman una capacidad de 2,48 kW. El resultado es una unidad compacta que genera electricidad tanto por la fuerza del agua que pasa por la turbina como por la radiación solar que incide sobre los paneles, funcionando de forma complementaria a lo largo del día y del ciclo de las mareas.
El problema de la estela y por qué importa el espaciado
Cuando una turbina extrae energía de la corriente de agua, crea una zona de turbulencia aguas abajo llamada estela, donde la velocidad del flujo se reduce. Si otra turbina se posiciona muy cerca de esta zona, su rendimiento disminuye significativamente porque recibe agua con menos energía cinética. Los investigadores estudiaron este fenómeno en el sistema flotante y descubrieron que un espaciado lateral de tres veces el diámetro de la turbina prácticamente elimina las pérdidas por interferencia entre unidades adyacentes.
Sin embargo, el espaciado longitudinal mostró un efecto mucho más crítico. Con turbinas posicionadas a 40 diámetros de distancia en la dirección del flujo, el coeficiente de potencia de la turbina aguas abajo cayó de 0,88 a 0,64. Aumentando a 50 diámetros, el coeficiente subió a 0,76. Con 60 diámetros de espaciado, alcanzó 0,80. Este dato crea un dilema: cuanto mayor sea el espaciado, mejor será el rendimiento individual, pero menos turbinas caben en el área disponible. Fue precisamente para resolver este dilema que los investigadores decidieron integrar los paneles solares al sistema flotante, compensando con energía solar las pérdidas hidrocinéticas causadas por la estela.
Los números de producción que el Canal del Boqueirão puede entregar
Los investigadores simularon el sistema flotante como una granja instalada en un área piloto de 0,5 km por 3 km en el Canal del Boqueirão. Cada granja contenía entre una y 17 columnas, con cada columna compuesta por 138 unidades híbridas dispuestas lado a lado a lo largo del canal. Para cada configuración, el equipo probó espaciamientos longitudinales de 40, 50 y 60 diámetros entre las columnas, generando una matriz de resultados que permite elegir la mejor relación entre costo y producción.
La configuración más productiva simulada contó con 17 columnas y espaciamiento de 60 diámetros, generando 23,956 GWh por año con un costo nivelado de energía de US$ 0,32 por kWh. En configuraciones menores, como 9 columnas con 60 diámetros, la producción fue de 15,002 GWh anuales a US$ 0,30 por kWh, el menor costo entre todas las simulaciones. La configuración con 50 diámetros y 8 columnas produciría 12,466 GWh por año a US$ 0,33 por kWh. Los datos muestran que el sistema flotante híbrido permite escalar la producción de forma modular, añadiendo columnas conforme la demanda crece y los recursos financieros se vuelven disponibles.
El sol que compensa lo que la marea pierde
Uno de los hallazgos más relevantes del estudio es que la integración fotovoltaica compensa parcialmente las pérdidas de eficiencia causadas por la estela en las turbinas aguas abajo. Cuando una turbina en la segunda o tercera columna produce menos energía porque la corriente que llega a ella ya ha sido parcialmente desacelerada por la columna anterior, los paneles solares instalados en la misma unidad continúan generando electricidad normalmente. La radiación solar no se ve afectada por la estela hidrocinética, lo que significa que el componente fotovoltaico funciona como estabilizador de la producción total.
Esta complementariedad entre mareas y sol también se manifiesta a lo largo del día y del año. El régimen de mareas en el Canal del Boqueirão es semidiurno, con un período de aproximadamente 12,4 horas, lo que significa que las corrientes más fuertes ocurren en horarios variables. Los paneles solares, por su parte, producen más en las horas centrales del día. Cuando la marea está débil, el sol compensa. Cuando el sol se pone, la marea puede estar en plena fuerza. Esta alternancia reduce los períodos de baja generación y hace que el sistema flotante híbrido sea más confiable que cualquiera de las dos fuentes operando aisladamente.
Una metodología que sirve para otros canales de Brasil y del mundo
Los investigadores hicieron hincapié en que el estudio en el Canal del Boqueirão es un caso ilustrativo, pero que la metodología desarrollada puede aplicarse a cualquier canal estuarino con características similares. Restricciones geométricas, grandes amplitudes de marea, corrientes fuertes y buena disponibilidad de recursos solares son los criterios que hacen que un lugar sea viable para el sistema flotante, y estas condiciones existen en diversos puntos del litoral brasileño y de otros países tropicales y ecuatoriales.
La costa norte de Brasil, que incluye Maranhão, Pará y Amapá, posee algunos de los mayores regímenes de marea del planeta, con amplitudes que en ciertos puntos superan los 8 metros. Estos mismos estuarios reciben una intensa irradiación solar durante la mayor parte del año, creando condiciones ideales para replicar el concepto probado en el Canal del Boqueirão. Para los investigadores, el sistema flotante híbrido ofrece una alternativa a las grandes centrales hidroeléctricas y parques eólicos en regiones donde la infraestructura de transmisión es limitada y la generación distribuida tiene más sentido económico y logístico.
Ciencia brasileña en la frontera de la energía renovable
El sistema flotante desarrollado por investigadores de cuatro universidades brasileñas combina turbinas sumergidas y paneles solares en plataformas catamarán para generar energía de las mareas y del sol simultáneamente en canales estuarinos. El estudio confirmó que el concepto es técnicamente viable y económicamente prometedor, con una granja de 17 columnas en el Canal del Boqueirão capaz de producir casi 24 GWh por año, energía suficiente para abastecer a miles de residencias en una región de Maranhão donde el acceso a la electricidad no siempre está garantizado.
¿Sabías que Maranhão tiene mareas de más de 6 metros y que investigadores brasileños están desarrollando formas de transformar esa fuerza en electricidad? Cuéntanos en los comentarios qué piensas del sistema flotante híbrido, si crees que esta tecnología tiene futuro en Brasil y si la combinación de energía de las mareas con solar tiene sentido para ti. Queremos escuchar tu opinión sobre la ciencia brasileña en el área de energías renovables.
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