Potencial undimotriz zonas del caribe colombiano

Nombres: Alexander Salas, Jesús Molina, Esteban Oliveros.
CÁLCULO DEL POTENCIAL UNDIMOTRIZ EN ZONAS DEL CARIBE COLOMBIANO.
Resumen
El estudio e implementación tecnológica en Colombia sobre el aprovechamiento
energético que proviene de las olas del mar, conocido como energía undimotriz, es muy
reciente. En el contexto de la ingeniería es poca la literatura que se ha producido en el
desarrollo de esta temática.
Precisamente, el presente artículo muestra un estudio sobre el cálculo del potencial
energético undimotriz aprovechable en tres zonas del caribe colombiano, las cuales son:
playa “Las Velas” (Cartagena de Indias), playa de “Pradomar” (Puerto Colombia) y la
playa “Del Centro” (Santa Marta), considerando los registros oceanográficos de los 12
meses del año 2020. De acuerdo con los resultados obtenidos, se determina cuál de las
zonas fue potencialmente favorable para la realización de proyectos de energía
undimotriz. Los datos de oleaje para cada lugar se obtuvieron de la base de datos Magic
Sea Weed que aporta información, en tiempo real, de las condiciones climáticas y
oceanográficas en la costa caribe colombiana y de otros países.
1. Introducción
Los estudios en el aprovechamiento de la energía mecánica procedente del oleaje
marino, conocida como energía undimotriz, están siendo considerados a nivel mundial,
como una fuente emergente de electricidad, con el objetivo de abastecer las necesidades
energéticas en el nuevo milenio.
Países costeros, como Chile, donde la demanda energética superará los 100 TW/h para
el año 2050, obliga a la exploración de distintas fuentes de energía, siendo la undimotriz
parte de la solución del consumo exigido. En igual condiciones, se está estudiando,
experimentalmente, la implementación de la energía undimotriz en los alrededores de
las Islas Británicas y costas al oeste de Europa, de manera que se alcance
potencialmente más de los 70 KW/h que se generan actualmente con el oleaje marino
en zonas ya determinadas (Castillo, Segovia, Díaz, & Araya, 2018).
Los países a la vanguardia en los estudios y explotación del potencial energético
undimotriz son Australia y Nueva Zelanda, los cuales, han servido de referente mundial
en cuanto al potencial alcanzado por dichos países, en más de 100 KW- h. (Chimbo &
Rodríguez, 2017)
Actualmente, España, está tomando la iniciativa de inyectar el flujo económico a la
modernización y construcción de sistemas de hardware y software que en el óptimo
aprovechamiento de la energía undimotriz. (Chimbo & Rodríguez, 2017)
Aterrizando en el contexto colombiano, apenas, el país está abriendo el debate sobre la
importancia de implementar proyectos con este tipo de fuente energética. El descuido de
muchos años, en el registro de condiciones ambientales, como el clima, velocidad del
viento, humedad, etc. ha conllevado a retrasos significativos que inciden en el nuevo
estudio de la energía undimotriz. Actualmente, en la costa atlántica, se potencia la
energía en zonas cercanas a las costas de la Guajira, costas de Bolívar y en las costas
del Archipiélago de San Andrés y Providencia, pero hay carencia de estudios que
determinen la implementación de la energía undimotriz en otras zonas costeras (Chimbo
& Rodríguez, 2017).
La información proporcionada en este artículo sirve para estimar la zona con mayor
potencial undimotriz en un periodo tiempo (2020) y con base en los resultados obtenidos
se recomienda en qué zonas se debieron realizar los proyectos de energía undimotriz,
dicha información puede ser consultada para la realización de los estudios en el presente
año, se observa la zona y se determina si se mantuvo su potencial undimotriz.
2. Metodología / Materiales y métodos
2.1 Definiciones básicas.
Ola sinusoidal simple: (Organización Meteorológica Mundial, 2018)
Figura 1. Ola sinusoidal simple.
Fuente: https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=10410
Donde:
 La amplitud 𝑎 es la magnitud del desplazamiento máximo respecto del nivel medio
del mar. Su valor se suele expresar en metros (o en pies). (Organización
Meteorológica Mundial, 2018)
 La altura de ola H es la diferencia de elevación superficial entre la cresta de una
ola y el seno de la precedente. En el caso de una ola sinusoidal simple, H = 2𝑎.
(Organización Meteorológica Mundial, 2018)
 La velocidad de propagación c es la velocidad de desplazamiento del perfil de la
ola, es decir, la velocidad a la que avanzan la cresta y el seno de la ola. Se suele
denominar velocidad de la ola o velocidad de fase. (Organización Meteorológica
Mundial, 2018)
 La pendiente de una ola es el cociente entre la altura de la ola y su longitud (H/λ).
2.2 Ecuaciones utilizadas en el análisis.
Para un mar irregular, la energía total promedio que se encuentra en las olas se calcula
mediante la siguiente fórmula (Zapata, 2017):
𝑃 = 𝑘 ∗ 𝐻𝑆 2 ∗ 𝑇𝑆
(1)
Donde k es una constante y se calcula mediante la siguiente ecuación (Zapata, 2017):
𝑘=
𝜌∗𝑔2
64𝜋
(2)
Donde:
𝜌 es la densidad del agua del mar (1025 𝑘𝑔/𝑚3 ).
𝑔 es la gravedad (9,80665 𝑚/𝑠 2 ).
Se reemplazan los valores y la ecuación del potencial undimotriz queda así (Zapata,
2017):
𝑃 = 490,27 ∗ 𝐻𝑆 2 ∗ 𝑇𝑆 ≈ 0,49 ∗ 𝐻𝑆 2 ∗ 𝑇𝑆
(3)
Finalmente,
𝑃 = 0,49 ∗ 𝐻𝑆 2 ∗ 𝑇𝑆 (4)
Donde:
𝑃 es el flujo de energía de la ola expresado en kW/m.
𝐻𝑆 es la altura significativa de la ola y se define como la altura promedio del tercio de olas
más altas dentro de un grupo de olas considerado. (Zapata, 2017)
𝑇𝑆 es el período en segundos y se define como la media de los períodos del tercio de
olas más altas dentro grupo de olas considerado. (Organización Meteorológica Mundial,
2018)
2.3 Zonas de estudio.
Zona 1: Playa “Las Velas”.
Figura 2. Ubicación geográfica de la playa “Las Velas” (Cartagena
de indias).
Fuente: https://www.google.com/maps/place/Playa+Las+Velas/@10.4009585,75.5474577,12.96z/data=!4m5!3m4!1s0x0:0x9366c2701f54c37b!8m2!3d10.3983328!4d75.5640155
Zona 2: Playa “Pradomar”.
Figura 3. Ubicación geográfica de la playa “Pradomar” (Puerto
Colombia / Barranquilla).
Fuente: https://www.google.com/maps/place/Playas+De+Pradomar/@10.9971735,74.9551676,15.75z/data=!4m5!3m4!1s0x0:0x9058c06caf90ad3d!8m2!3d11.002917!4d74.9523603
Zona 3: Playa “Del Centro”.
Figura 4. Ubicación geográfica de la playa “Del Centro” (Santa
Marta).
Fuente:
https://www.google.com/maps/place/11%C2%B014'32.8%22N+74%C2%B013'12.0%
22W/@11.2461167,
74.2303967,15.21z/data=!4m5!3m4!1s0x0:0x0!8m2!3d11.2424421!4d-74.220008
2.4 De la página Magic sea weed, se sustrajeron los datos (altura y periodo) de
oleaje del año 2020 para cada lugar.
Se toman como referencia los datos de oleaje para el día 1 de enero de 2020 en la playa
“Pradomar”, con el fin de mostrar el procedimiento realizado para cada mes.
Figura 5. Datos del 1 de enero de 2020 en la playa “Pradomar”.
Fuente:
https://magicseaweed.com/Pradomar-SurReport/2518/Historic/?start=2020-0101&end=2020-01-31
2.5 Dicha página muestra 8 datos de oleaje por día, los cuales fueron
promediados, se obtuvo la altura promedio y el periodo promedio de cada
mes (Zapata, 2017) (en este caso solo se muestra el mes de enero, los demás
meses pueden revisarse en el Excel adjunto).
Se promediaron los datos de la figura 4, dando como resultado:
ene-20
Día
prom altura (m)
prom tiempo (s)
1
1,83
6,37
Tabla 1. Promedio de altura y tiempo de datos de oleaje (1 de enero 2020),
“Pradomar”.
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea weed, 2020)
Se repitió procedimiento para todos los días del mes de enero obteniendo:
ene-20
Día
prom altura (m)
prom tiempo (s)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1,83
2,16
1,95
1
1,77
1,57
1,07
1,27
2,75
4,48
4,82
4,52
4,85
4,78
3,73
3,7
4,27
6,37
7
7,12
7,12
6,37
6
6,37
7,37
8,12
9,25
10
9,75
10
10
9,25
9
9,12
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
4,36
3,83
2,85
1,77
1,06
0,6
1,05
0,52
0,3
0,35
0,76
0,31
0,47
2,18
9,12
9
9
8
8
9,5
7,62
6,25
5,12
4,75
4
6,25
5,87
6,87
Tabla 2. Datos promedio de altura y tiempo de oleaje para enero de 2020 (“Pradomar”).
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea weed, 2020)
2.6 Se organizaron los promedios de altura de mayor a menor y se dejaron los
promedios de tiempo correspondientes a cada altura. (Organización
Meteorológica Mundial, 2018)
Los datos obtenidos son los siguientes:
ene-20
Día
prom altura (m)
prom tiempo (s)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
4,85
4,82
4,78
4,52
4,48
4,36
4,27
3,83
3,73
3,7
2,85
2,75
2,18
2,16
1,95
10
10
10
9,75
9,25
9,12
9,12
9
9,25
9
9
8,12
6,87
7
7,12
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
1,83
1,77
1,77
1,57
1,27
1,07
1,06
1,05
1
0,76
0,6
0,52
0,47
0,35
0,31
0,3
6,37
8
6,37
6
7,37
6,37
8
7,62
7,12
4
9,5
6,25
5,87
4,75
6,25
5,12
Tabla 3. Datos promedio organizados de mayor a menor para enero de 2020
(“Pradomar”).
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea weed, 2020)
2.7 Se seleccionó el terceo de los datos de la tabla 3, se calculó la altura
significativa 𝐇𝐒 , el periodo significativo 𝐓𝐒 y la potencia undimotriz.
(Organización Meteorológica Mundial, 2018)
En este caso el terceo de los datos es:
𝑇𝑒𝑟𝑐𝑒𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑡𝑜𝑠 =
𝐷í𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑒𝑠
3
=
31
3
= 10,33 = 𝟏𝟎 (5)
Se escogieron los 10 primeros datos de la tabla 3:
ene-20
Día
prom altura (m)
prom tiempo (s)
1
2
3
4
5
6
7
4,85
4,82
4,78
4,52
4,48
4,36
4,27
10
10
10
9,75
9,25
9,12
9,12
8
9
10
3,83
3,73
3,7
9
9,25
9
Tabla 4. Terceo de datos de enero de 2020 (“Pradomar”).
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea weed, 2020)
Se calcula altura significativa:
𝐻𝑆 = 𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 10 𝑑𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 (𝑚) = 4,334 (6)
Se calcula periodo significativo:
𝑇𝑆 = 𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 10 𝑑𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑠) = 9,449 (7)
Finalmente, mediante la ecuación (4) se calcula la potencia undimotriz:
𝑃 = 0,49 ∗ (4,334)2 ∗ 9,449 = 𝟖𝟔, 𝟗𝟔 𝑲𝒘/𝒎 (8)
Los pasos anteriores fueron aplicados a cada mes del año 2020 de las tres zonas
estudiadas y los valores obtenidos se muestran en la siguiente sección.
3 Resultados
Se obtuvo el potencial undimotriz para las tres zonas y se compararon los valores
obtenidos en el análisis.
3.1 Potencia undimotriz obtenida para la playa “Las velas”.
Para esta zona se obtuvieron los siguientes resultados:
Potencia undimotriz playa “Las velas” (Cartagena) -2020
Mes
Potencia kW/m
ene-20
58,68
feb-20
46,08
mar-20
27,5
abr-20
16,57
may-20
11,02
jun-20
16,15
jul-20
11,16
ago-20
13,07
sep-20
1,48
oct-20
2,82
nov-20
5,24
dic-20
12,03
TOTAL
221,8
Tabla 5. Potencia undimotriz de “Las velas” (Cartagena) -2020.
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea weed, 2020)
De la tabla 5, se observa lo siguiente:
 Enero es el mes con más potencial undimotriz en todo el 2020, dicho valor representa
el 26,46% de la potencia total en dicho año.
 Octubre es el mes con menos potencial undimotriz con 2,82 KW/m.
 La potencia total fue de 221,8 KW/m.
A continuación, se muestra el gráfico correspondiente a la tabla anterior:
Potencia undimotriz playa Las velas
70
Potencia kw/m
60
50
40
30
20
10
0
Mes
Figura 6. Potencia undimotriz playa “Las velas”.
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea
weed, 2020)
De la figura 6, se observa:
 Un comportamiento descendente de la potencia entre enero y mayo, dicha
disminución va de 58,68 kW/m a 11,02 kW/m.
 Un comportamiento ascendente de la potencia entre septiembre y diciembre (1,48
kW/m a 12,03 kW/m).
3.2 Potencia undimotriz obtenida para la playa “Pradomar”.
A continuación, se muestran los valores de potencia obtenidos en la zona de Barranquilla
– Puerto Colombia (Pradomar) en el año 2020:
Potencia undimotriz playa “Pradomar” (Barranquilla) - 2020
Mes
Potencia kw/m
ene-20
86,96
feb-20
63,37
mar-20
35,96
abr-20
26,94
may-20
22,8
jun-20
34,94
jul-20
21,46
ago-20
26,35
sep-20
1,73
oct-20
2,86
nov-20
6,15
dic-20
11,89
TOTAL
341,41
Tabla 6. Potencia undimotriz de “Pradomar” (Barranquilla / Puerto Colombia) - 2020.
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea weed, 2020)
De la tabla 6, se observa que:
 En el primer semestre del año la potencia fue de 270,97 kW/m.
 El menor potencial se da en el septiembre con 1,73 kW/m.
 La potencia total fue de 341,41 kW/m.
Se muestra el gráfico correspondiente a la tabla 6:
Figura 7. Potencia undimotriz playa “Pradomar”.
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea
weed, 2020)
De la figura 7, se observa:
 Un comportamiento descendente entre enero y mayo de 2020 (86,96 kW/m a 22,8
kW/m).
 Entre mayo y septiembre se observa que un comportamiento irregular de la potencia.
3.3 Potencia undimotriz obtenida para la playa “Del Centro”.
Se obtuvieron las potencias para la zona de Santa Marta (playa del Centro) en el año
2020:
Potencia undimotriz playa “Del Centro” (Santa Marta) - 2020
Mes
Potencia kW/m
ene-20
39,67
feb-20
26,04
mar-20
16,28
abr-20
12,96
may-20
14,44
jun-20
20,63
jul-20
12,92
ago-20
15,51
sep-20
1,39
oct-20
2,41
nov-20
3,97
dic-20
5,42
TOTAL
171,64
Tabla 7. Potencia undimotriz “Del Centro” (Santa Marta) - 2020.
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea weed, 2020)
De la tabla 7 se observa que:
 En el segundo semestre del año se obtuvo una potencia de 41,62 kW/m.
 El mayor potencial se da en el mes de enero la potencia es de 39,67 kW/m, la cual
representa el 23,12% de la potencia total obtenida para esta zona.
 La potencia total en obtenida es de 171,64 kW/m.
Se muestra el gráfico correspondiente a la tabla 7:
Potencia undimotriz playa "Del Centro"
45
40
Potencia kw/m
35
30
25
20
15
10
5
0
Figura 8. Potencia undimotriz playa “Del Centro”.
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea
weed, 2020)
De la figura 8, se observa:
 Un comportamiento descendente entre enero y abril (39,67 kW/m a 12,96 kW/m).
 Entre abril y septiembre hay un comportamiento irregular de la potencia.
 Un comportamiento ascendente de la potencia entre septiembre y diciembre (1,39
kW/m a 5,42 kW/m)
3.4 Comparación de los resultados.
Las potencias totales obtenidas para cada zona se encuentran en la siguiente tabla:
Año 2020
Zona
Potencia total kw/m
Playa “Las Velas” (Cartagena)
Playa “Pradomar” (Barranquilla/Puerto
Colombia)
Playa “Del Centro” (Santa Marta)
221,8
341,41
171,64
Tabla 8. Potencia total para las tres zonas en el año 2020.
Fuente: Información propia obtenida a partir de los datos consultados en (Magic sea weed, 2020)
Como se observa la zona con más potencial undimotriz en el año 2020 fue la playa de
Pradomar con 341,41 kW/m, esto indica que los datos de oleaje obtenidos en cada mes
fueron mayores a los obtenidos en las otras zonas.
4 Conclusiones
En este artículo se calculó el potencial undimotriz en tres zonas del caribe colombiano,
la playa de Pradomar tuvo las potencias más altas en los 12 meses del 2020 en
comparación con las otras dos zonas (Las Velas, del Centro).
Se observa que para las tres zonas se tuvo el mayor potencial en el mes de enero, esto
se debe a que en dicho mes hubo mayor velocidad del viento y por ende las olas fueron
más altas.
Conocer estos datos da una proyección del potencial que tiene la costa caribe
colombiana y permite saber en qué sitios se deben realizar los proyectos de energía
undimotriz, con el fin de aprovechar la energía que proviene de las olas.
Se pueden seguir investigando los comportamientos energéticos de las olas, realizando
los análisis en otras zonas y en otros años, por ejemplo, calcular el potencial undimotriz
en las zonas de Marbella (Cartagena) y en el Rodadero (Santa Marta); y determinar cuál
de estas tiene mayor potencial en el primer semestre del 2021.
5 Referencias
Castillo, R., Segovia, V., Díaz, G., & Araya, C. (2018). Region of Tarapacá’s wave energy
potential as a focus for productive development. Revista chilena de ingeniería, 72
- 85 (13).
Chimbo, M., & Rodríguez, R. (2017). Energy harnessing wave in Ecuador. INGENIUS,
23 -28 (6).
Magic sea weed. (2020). Magic sea weed. Obtenido de Magic sea weed:
https://magicseaweed.com/Colombia-Surf-Forecast/87/
Organización Meteorológica Mundial. (2018). Libreria WMO (World Meteorological
Organization). Obtenido de Libreria WMO (World Meteorological Organization):
https://library.wmo.int/doc_num.php?explnum_id=10410
Zapata, J. P. (2017). Quantification of Colombian Caribbean shore potencial wave.
ESPACIOS, 17.