Fabian Povea1
,
Ricardo Játiva1
1Facultad de Ingeniería Industrial, Universidad de Guayaquil, Guayaquil 090514, Ecuador.
Autor de correspondencia: fabian.poveac@ug.edu.ec
|
Recibido: 25, marzo 2025 Como Citar: Játiva Soto, R. A., & Povea Cedeño, F. (2025). Aprovechamiento de la Energía Undimotriz para la Desalinización de Agua de Mar: Una Solución Sostenible para la Escasez Hídrica en Estados Unidos. Revista Digital Científica Causalidad (caui3), 1(2), 1-14. https://doi.org/10.70929/caui3.v1i2.0011 ISSN-e: 3073-1518 |
Resumen:La escasez de agua es una preocupación creciente en diversas regiones costeras de Estados Unidos, particularmente en California y Texas. Este artículo explora la integración de la energía undimotriz con los sistemas de desalinización para proporcionar una solución sostenible a la producción de agua potable. Se evalúan diferentes tecnologías de conversión de energía undimotriz (WEC, por sus siglas en inglés) y su viabilidad para alimentar plantas de desalinización por ósmosis inversa. Se desarrolla una simulación en MATLAB para analizar la producción de energía, la eficiencia y el impacto ambiental. Los hallazgos sugieren que la desalinización impulsada por energía undimotriz puede reducir significativamente la dependencia de los combustibles fósiles, disminuir los costos operativos y contribuir a la seguridad hídrica. El artículo destaca los principales desafíos y consideraciones políticas necesarias para su implementación a gran escala en Estados Unidos.Palabras Clave: Energía undimotriz, desalinización, energía renovable, escasez de agua, sostenibilidad, simulación en MATLAB. Abstract:Water scarcity is a growing concern in various coastal regions of the United States, particularly in California and Texas. This article explores the integration of wave energy with desalination systems to provide a sustainable solution for drinking water production. Different wave energy conversion (WEC) technologies and their feasibility to power reverse osmosis desalination plants are evaluated. A MATLAB simulation is developed to analyze energy production, efficiency, and environmental impact. The findings suggest that wave energy-driven desalination can significantly reduce dependence on fossil fuels, lower operating costs, and contribute to water security. The article highlights the main challenges and policy considerations necessary for its large-scale implementation in the United States.Keywords: Wave energy, desalination, renewable energy, water scarcity, sustainability, MATLAB simulation. |
La escasez de agua es un problema creciente en Estados Unidos, agravado por el cambio climático y el aumento constante de la población [1]. Este fenómeno ha ejercido una presión considerable sobre las fuentes de agua dulce, muchas de las cuales ya presentan niveles de sobreexplotación [2]. Ante este panorama, la desalinización del agua de mar se ha posicionado como una alternativa viable para suplir la demanda hídrica [3]. Sin embargo, los métodos tradicionales de desalinización presentan desafíos importantes, ya que suelen requerir una gran cantidad de energía proveniente de combustibles fósiles, lo que incrementa los costos operativos y genera un impacto ambiental negativo debido a las emisiones de gases de efecto invernadero [4].
En la búsqueda de soluciones más sostenibles, la energía undimotriz ha surgido como una fuente renovable prometedora para alimentar plantas desalinizadoras [5]. Esta forma de energía aprovecha el movimiento natural de las olas del mar, convirtiéndolo en electricidad sin recurrir a combustibles contaminantes. Entre los dispositivos más eficientes para captar esta energía se encuentra la columna de agua oscilante, que destaca por su diseño simple, su bajo mantenimiento y su facilidad de integración en distintos entornos marinos, su estructura permite capturar el movimiento vertical de las olas, transformándolo en energía útil para diversos fines, incluida la desalinización [6].
Este estudio se centra en evaluar el potencial de los convertidores de energía undimotriz (WEC, por sus siglas en inglés) para alimentar de manera sostenible los sistemas de desalinización. Se busca analizar su viabilidad técnica, la eficiencia en la conversión de energía y su impacto ambiental comparado con otras fuentes de energía convencionales. El objetivo es proponer una solución energética que no solo sea funcional, sino también respetuosa con el medio ambiente y económicamente factible a largo plazo.
Además, se considera el contexto geográfico favorable de Estados Unidos, con amplias líneas costeras expuestas a un movimiento constante de olas, lo cual representa una ventaja significativa para la implementación de esta tecnología. La integración de la energía undimotriz con los sistemas de desalinización no solo podría aliviar la presión sobre las fuentes de agua dulce, sino también contribuir a la transición hacia un modelo energético más limpio y autosostenible.
Este análisis busca ofrecer una perspectiva integral sobre cómo la innovación en el uso de energías renovables puede responder a uno de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo: garantizar el acceso al agua potable sin comprometer la sostenibilidad ambiental.
La desalinización es un proceso mediante el cual se eliminan las sales y otras impurezas del agua de mar para hacerla apta para el consumo humano e industrial, se ha convertido en una alternativa crucial en regiones donde el acceso a fuentes de agua dulce es limitado, como en California y otras zonas áridas de Estados Unidos [7]. Sin embargo, este proceso es altamente demandante en términos energéticos, lo que ha llevado a la búsqueda de fuentes renovables para reducir costos operativos y el impacto ambiental [8].
Existen varias tecnologías de desalinización, entre las cuales destacan:
El uso de la energía undimotriz en la desalinización presenta múltiples ventajas, como la reducción de costos operativos y la disminución de la huella de carbono [13]. Sin embargo, existen varios desafíos que deben abordarse:
La metodología seguida en esta investigación se desarrolló en varias etapas que permitieron analizar la viabilidad de integrar la energía undimotriz con un sistema de desalinización mediante ósmosis inversa:
El principal desafío de la desalinización es su alto consumo energético. La energía undimotriz, por ser renovable y constante en zonas costeras, presenta una alternativa viable para abastecer estos sistemas. En este estudio, se propone la integración de una columna de agua oscilante (OWC) con una planta de ósmosis inversa. El proceso se desarrolla en varias etapas.
Para simular adecuadamente el comportamiento del sistema de conversión de energía undimotriz y su integración con la desalinización, fue necesario contextualizar el entorno operativo mediante la selección de datos reales. Se utilizaron estaciones de monitoreo oceanográfico ubicadas en la costa de California, proporcionadas por la NOAA, debido a que esta región enfrenta una severa crisis hídrica y posee un alto potencial energético marítimo. Las variables consideradas incluyeron altura significativa de ola (Hs), período del pico (Tp), dirección de la ola, profundidad del agua y coordenadas geográficas. Estos parámetros fueron fundamentales para calcular la energía disponible en cada punto y determinar la eficiencia de conversión del sistema. La simulación se centró en cómo estas condiciones influyen directamente en la producción de energía y, por ende, en la capacidad de desalinización del sistema propuesto.
Se desarrolla un modelo en MATLAB-Simulink para simular la integración de la energía undimotriz con un sistema de desalinización. El estudio considera diversas tecnologías de WEC, incluidas las Columnas de Agua Oscilante (OWC) y los Absorbedores Puntuales, analizando su producción de energía en diferentes ubicaciones costeras. Se evalúan los requerimientos energéticos para la desalinización por ósmosis inversa y se analiza la eficiencia del sistema utilizando datos reales de olas proporcionados por la NOAA.
Como primer paso, tomamos 6 puntos de la parte costera en San Francisco, según la NOAA, como se muestra en el Cuadro 1.
Cuadro 1. Datos oceánicos de la NOAA.
| Dirección | Estación 46026 (18 millas náuticas al oeste de San Francisco, CA): |
| Coordenadas | 37.754° N, 122.839° W |
| Profunidad del agua | 54.9 metros |
| Altura significativa de la Ola (Hs) | 2.8 metros |
| Periodo del pico (Tp) | 15 segundos |
| Dirección de la ola | 271° (Oeste) |
| Dirección | Estación 46026 (18 millas náuticas al oeste de San Francisco, CA): |
| Coordenadas | 37.754° N, 122.839° W |
| Profunidad del agua | 54.9 metros |
| Altura significativa de la Ola (Hs) | 2.5 metros |
| Periodo del pico (Tp) | 14 segundos |
| Dirección de la ola | 270° (Oeste) |
| Dirección | Estación 46012 (Boya de Monterey, CA): |
| Coordenadas | 36.785° N, 122.398° W |
| Profunidad del agua | 100 metros |
| Altura significativa de la Ola (Hs) | 2.8 metros |
| Periodo del pico (Tp) | 15 segundos |
| Dirección de la ola | 280° (Oeste) |
| Dirección | Estación 46042 (Boya de Point Reyes, CA): |
| Coordenadas | 38.242° N, 123.301° W |
| Profunidad del agua | 200 metros |
| Altura significativa de la Ola (Hs) | 3.0 metros |
| Periodo del pico (Tp) | 16 segundos |
| Dirección de la ola | 265° (Oeste) |
| Dirección | Estación 46026 (18 millas náuticas al oeste de San Francisco, CA): |
| Coordenadas | 37.754° N, 122.839° W |
| Profunidad del agua | 54.9 metros |
| Altura significativa de la Ola (Hs) | 2.7 metros |
| Periodo del pico (Tp) | 13 segundos |
| Dirección de la ola | 275° (Oeste) |
| Dirección | Estación 46012 (Boya de Monterey, CA): |
| Coordenadas | 36.785° N, 122.398° W |
| Profunidad del agua | 100 metros |
| Altura significativa de la Ola (Hs) | 2.9 metros |
| Periodo del pico (Tp) | 14 segundos |
| Dirección de la ola | 278° (Oeste) |
A partir de estos datos, se calcularon la frecuencia lineal (f) y la frecuencia angular (ω) de las olas para cada ubicación, obteniendo los resultados presentados en el (Cuadro 2). Estos parámetros son esenciales para la simulación de la interacción entre la columna de agua oscilante y la planta de desalinización.
La conversión de energía undimotriz se realiza mediante una columna de agua oscilante (OWC), una tecnología que ha demostrado alta eficiencia debido a su diseño simple y facilidad de implementación. El modelo de simulación incluyó los siguientes componentes:
| $$P+\frac{1}{2}pv^2+pgh=constante$$ | (1) |
donde:
\(P\) es la presión generada por el aire en la cámara,
\(g\) es la densidad del agua,
\(p\) es la aceleración gravitacional,
\(h\) es la altura de la ola.
Cuadro 2. Frecuencia lineal (f) y frecuencia angular (ω).
| # | Ubicación | Hs (m) | Tp (s) | f (Hz) | ω (rad/s) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 36.785°N, 122.398°W | 2.8 | 15 | 0.066 | 0.4833 |
| 2 | 37.754°N, 122.839°W | 2.5 | 14 | 0.0717 | 0.4189 |
| 3 | 36.785°N, 122.398°W | 2.8 | 15 | 0.066 | 0.4488 |
| 4 | 38.242°N, 123.301°W | 3.0 | 16 | 0.0625 | 0.4189 |
| 5 | 37.754°N, 122.839°W | 2.7 | 13 | 0.0769 | 0.5236 |
| 6 | 36.785°N, 122.398°W | 2.9 | 14 | 0.0717 | 0.4833 |
Flujo de Aire y Turbina Wells: La oscilación del agua genera un flujo de aire que mueve una turbina Wells bidireccional, capaz de generar energía independientemente del sentido del flujo. La potencia mecánica generada por la turbina se obtiene con:
| $$P_m=\frac{1}{2}pAv^3C_p$$ | (2) |
donde:
\(P_m\) es la potencia mecánica generada,
\(p\) es la densidad del aire,
\(A\) es el área efectiva de la turbina,
\(v\) es la velocidad del flujo de aire,
\(C_p\) es el coeficiente de potencia de la turbina.
La energía generada por la turbina Wells se utiliza para alimentar una planta de ósmosis inversa (RO, por sus siglas en inglés). Este proceso separa las sales y otras impurezas del agua de mar mediante membranas semipermeables, utilizando presión para forzar el paso del agua a través de la membrana.
Se implementó un modelo en MATLAB-Simulink que replica el comportamiento del sistema, considerando los parámetros obtenidos en la recopilación de datos oceánicos y los cálculos de energía de la turbina. La simulación permite analizar:
Los resultados obtenidos en la generación de energía eléctrica con las condiciones del mar estudiadas en Matlab simulink en los 6 puntos estudiados en San Francisco:
Esta simulación permitió generar gráficos y tablas estadísticas que ilustran el comportamiento de la corriente en función de la carga aplicada. En particular, la gráfica presentada muestra una relación sinusoidal típica entre la carga y la corriente generada, lo que refleja el flujo cíclico característico de la energía undimotriz.
Las siguientes Figuras que se mostrarán, es la coordenada más óptima tomando en cuenta su frecuencia, altura, velocidad de la zona estudiada.
La Figura 1 presentada muestra la corriente de carga (Load-Current) en función del tiempo [12].
Eje X (Horizontal): Representa el tiempo en segundos, abarcando un intervalo de 0 a 3 segundos.
Eje Y (Vertical): Representa la corriente en amperios (Current [A]), con valores que oscilan entre -5 A y 5 A [13].
Patrón de la Señal: La señal es sinusoidal, lo que indica que la corriente varía periódicamente con el tiempo [14].
Frecuencia y Amplitud: La corriente alcanza un valor máximo positivo de 5 A y un valor máximo negativo de -5 A, completando un ciclo completo aproximadamente cada 2 segundos, lo que indica una frecuencia de 0.5 Hz.
La Figura 2 presentada muestra la potencia de carga (Load-Power) en función del tiempo.
Eje X (Horizontal): Representa el tiempo en segundos (Time [sec]), abarcando un intervalo de 0 a 2 segundos.
Eje Y (Vertical): Representa la potencia en vatios (Power [W]), con valores que oscilan entre 0 y 500 W.
Patrón de la Señal: La señal muestra un incremento rápido en la potencia al inicio, alcanzando un valor cercano a 450 W. Posteriormente, la potencia se estabiliza alrededor de 440 W con pequeñas fluctuaciones.
Estabilidad de la Potencia: Después del pico inicial, la potencia se mantiene relativamente constante con pequeñas variaciones, indicando un sistema que alcanza un estado estacionario rápidamente.
Picos y Valles: Hay algunos picos y caídas menores en la potencia, que podrían deberse a perturbaciones momentáneas en el sistema.
Esta gráfica indica que el sistema de carga tiene una respuesta rápida inicial y luego se estabiliza en una potencia constante, lo cual es típico en sistemas bien regulados y eficientes.
La Figura 3 presentada muestra el voltaje de carga (Load Voltage) en función del tiempo.
Eje X (Horizontal): Representa el tiempo en segundos (Tiempo [seg]), abarcando un intervalo de 0 a 3 segundos.
Eje Y (Vertical): Representa el voltaje en voltios (Voltage [V]), con valores que oscilan entre -100 V y 100 V.
Patrón de la Señal: La señal es sinusoidal, lo que indica que el voltaje varía periódicamente con el tiempo.
Frecuencia y Amplitud: La señal tiene una amplitud de 100 V y completa un ciclo cada 1.5 segundos aproximadamente, indicando una frecuencia de alrededor de 0.67 Hz.
Simetría y Estabilidad: La señal es simétrica respecto al eje X y mantiene una forma sinusoidal constante, lo cual es típico de un sistema de corriente alterna (AC) [16].
Esta gráfica es indicativa de un voltaje de carga estable y simétrico, característico de sistemas que operan con corriente alterna. La estabilidad y la periodicidad de la señal son esenciales para el correcto funcionamiento y la eficiencia de los dispositivos conectados al sistema.
La gráfica 4 presentada muestra la potencia de entrada del convertidor (Input Converter Power) en función del tiempo.
Eje X (Horizontal): Representa el tiempo en segundos (Tiempo [seg]), abarcando un intervalo de 0 a 2 segundos.
Eje Y (Vertical): Representa la potencia en vatios (Potencia [W]), con valores que oscilan entre 0 W y 2000 W.
Patrón de la Señal: La señal es sinusoidal, indicando que la potencia varía periódicamente con el tiempo.
Frecuencia y Amplitud: La señal tiene una amplitud máxima de 2000 W y completa un ciclo aproximadamente cada 2 segundos, lo que indica una frecuencia de 0.5 Hz.
Simetría y Estabilidad: La señal es simétrica respecto al eje X y mantiene una forma sinusoidal constante, lo que sugiere un comportamiento periódico y predecible en la entrada del convertidor.
La Figura 4 es indicativa de una potencia de entrada del convertidor que varía de manera sinusoidal, típica en sistemas de corriente alterna (AC).
La eficiencia eléctrica (η) se calcula como:
| $$n=\frac{Pout}{Pin}x\ 100%\ (2)$$ | (3) |
Sustituyendo los valores:
| $$n=\frac{500}{1600}x\ 100=31.25%\ (3)$$ | (4) |
Esto indica que el sistema tiene una eficiencia de aproximadamente 31.25%, lo que significa que solo un 31.25% de la energía capturada de las olas se convierte en electricidad útil para la carga.
La energía (E) generada se obtiene mediante:
| $$E=Pout\ x\ t\ (4)$$ $$E=500Wx3s=1500Joules\ \left(1.5kJ\right)\ $$ |
(5) |
Esto significa que en 3 segundos, el sistema ha generado 1.5 kJ de energía útil. Si extrapolamos a una hora (3600 segundos):
| $$E1hora=500W\ x\ 3600s=1.8\ MK\ \left(0.5kWh\right)\ $$ | (6) |
Si el sistema opera de manera continua durante 24 horas, la energía generada sería:
| $$E24horas=0.5\ x24=12kWh\ $$ | (7) |
En todos los puntos se hizo el mismo procedimiento, por lo que en el Cuadro 3 están los cálculos obtenidos:
Cuadro 3. Resultados.
| Parámetro | Punto 1 | Punto 2 | Punto 3 | Punto 4 | Punto 5 | Punto 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Potencia de entrada (W) | 1600 | 9000 | 14000 | 15000 | 9000 | 9500 |
| Potencia de salida del convertidor (W) | 1280 | 7200 | 11200 | 12000 | 7200 | 7600 |
| Potencia en la carga (W) | 500 | 5000 | 4500 | 5000 | 5000 | 5000 |
| Eficiencia del convertidor (%) | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 |
| Eficiencia global (%) | 31.25 | 55.56 | 32.14 | 33.33 | 55.56 | 52.63 |
| Voltaje en la carga (V) | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| SOC de la batería (%) | Estable | Estable | Estable | Estable | Estable | Estable |
| Corriente en el boost (A) | Aumenta y se estabiliza | Aumenta y se estabiliza | Aumenta y se estabiliza | Aumenta y se estabiliza | Aumenta y se estabiliza | Aumenta y se estabiliza |
| Energía generada en 3s (kJ) | 1.5 | 4.5 | 4.05 | 4.8 | 4.5 | 4.4 |
| Energía generada en 1h (kJ) | 0.5 | 1.5 | 1.35 | 1.6 | 1.5 | 1.47 |
| Energía generada en 24h (kWh) | 12 | 40 | 38.88 | 43.2 | 40 | 39.47 |
El análisis de los seis puntos como se puede observar en la tabla 3, el punto 4 es el más eficiente, ya que logra una mayor potencia de salida del convertidor y la carga se mantiene estable. Además, genera más energía en 24 horas en comparación con otros puntos. Su rendimiento constante y mejor aprovechamiento de la potencia de entrada lo hace el más viable dentro del sistema evaluado.
Los resultados obtenidos a partir de la simulación en MATLAB-Simulink y del modelado de la conversión de energía undimotriz revelan importantes conclusiones. En primer lugar, la eficiencia global del sistema varía considerablemente entre los puntos estudiados, con un valor máximo del 55.56% y un mínimo del 31.25%. Esta variabilidad se debe tanto a las condiciones oceánicas locales como a la capacidad del sistema para adaptar su operación a distintas características de ola.
El análisis gráfico permite observar que el punto 4 genera la mayor cantidad de energía en 24 horas (43.2 kWh), lo que lo posiciona como el más eficiente y viable para una implementación futura. Este punto combina una alta potencia de entrada y un excelente rendimiento en el convertidor, manteniendo una potencia de salida estable. Esta estabilidad es crítica para el funcionamiento continuo de una planta desalinizadora, donde interrupciones o variaciones significativas pueden afectar la producción de agua potable.
El voltaje y la corriente en la carga también se mantienen dentro de parámetros estables en los seis puntos, lo que indica una operación confiable del sistema bajo diversas condiciones. Además, el estado de carga (SOC) de la batería mostró consistencia, sin signos de descarga crítica, lo que sugiere que el sistema puede almacenar energía adecuadamente para compensar variaciones temporales en la generación.
En conjunto, estos resultados demuestran que la integración de energía undimotriz con sistemas de desalinización no solo es factible, sino que también presenta un alto potencial para escalarse a niveles industriales, particularmente en regiones como California donde existe escasez de agua y un alto recurso energético marino. Sin embargo, se deben considerar factores como el costo de implementación, la durabilidad de los componentes en ambientes salinos y las políticas públicas necesarias para garantizar una adopción masiva y sostenible.
Este estudio ha demostrado el potencial de la energía undimotriz como fuente renovable para la desalinización de agua de mar, ofreciendo una alternativa sostenible frente a los métodos tradicionales que dependen de combustibles fósiles. La integración de una columna de agua oscilante (OWC) con una planta de ósmosis inversa permite reducir costos operativos y minimizar el impacto ambiental, garantizando un suministro constante de agua potable en regiones costeras con escasez hídrica.
Los resultados obtenidos en la simulación en MATLAB muestran que el sistema es capaz de generar energía suficiente para alimentar el proceso de desalinización, con una eficiencia que puede optimizarse mediante mejoras en la conversión y almacenamiento de energía. Si bien la implementación a gran escala presenta desafíos técnicos y económicos, la tendencia global hacia energías limpias y la necesidad urgente de soluciones hídricas hacen de esta tecnología una opción viable para el futuro.
Para futuras investigaciones, se recomienda evaluar la viabilidad económica en distintos escenarios, analizar el impacto ambiental del manejo de la salmuera y explorar nuevas estrategias de almacenamiento de energía para garantizar la estabilidad del sistema en diferentes condiciones oceánicas.
El autor o autores no han declarado ningún posible conflicto de intereses en relación con esta investigación, la autoría y/o la publicación de este artículo.
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