Salinity gradient energy harnessing at river mouths. From theoretical to extractable resources

Abstract

Abstract: salinity gradient energy (SGE) is the clean and renewable energy that can be obtained from controlled mixing of two water masses with different salt concentration. River mouths, where fresh water mixes with saline seawater, are manifest locations for harnessing SGE, since provide the sought salinity gradients and abundant water resources worldwide. Most of the research in SGE has been focused on improving the performance of the energy generation techniques; however, as these techniques reach higher stages of development, more attention must be paid to the challenges that harnessing SGE from natural systems will bring. This thesis addresses persistent gaps on the research of suitability, available potentials and extractable resources of SGE at river mouths. These topics are approached at global and local scales from three strategies: hydrodynamic modelling of temporal and spatial variability of the salinity structure of river mouths; analysis of databases of variables and resources related with SGE at river mouths; and parameterization of the physical relations among environmental forcings, stratification and SGE potentials. The results of this research show that only river mouths with mean tidal range lower than 1.2 m are suitable locations to generate SGE; 20% of the mean discharge of rivers may be extracted for SGE generation; harnessing SGE at river mouths is very reliable with average capacity factor of 84%; and 625 TWh/y of SGE are extractable from river mouths worldwide considering site-suitability and environmental constraints. But beyond these numbers, most important contributions of this thesis are: development of the concept of site-specific potential for more precise assessment of the SGE resources at river mouths; description of the relation between stratification and SGE potential; classification of river mouths according to the suitability for harnessing SGE; mapping of the global distribution of available SGE resources; proposing a methodology to assess extractable SGE resources from particular systems; and overall discussion of physical and environmental constraints for SGE generation at river mouths. Together, these findings constitute a significant progress in the study of opportunities of harnessing SGE at river mouths in the upcoming future

Resumen: la energía de gradiente salino (SGE, por su sigla en inglés) se puede generar a partir de la mezcla controlada de dos masas de agua con diferente concentración de sal. Las desembocaduras de los ríos en el mar son sistemas donde se podría aprovechar este tipo de energía ya que proveen los gradientes de salinidad requeridos y abundantes recursos hidráulicos en todo el mundo. Hasta ahora la mayor parte de la investigación en SGE se ha enfocado en la optimización de las tecnologías de generación de energía. Sin embargo, a medida que las tecnologías alcanzan mayor desarrollo, se debe prestar más atención en los desafíos que involucra el aprovechamiento de SGE en sistemas naturales. Esta tesis trata sobre los vacíos de investigación relacionados factibilidad técnica, los potenciales disponibles y recursos extraíbles de SGE en desembocaduras. Estos temas son abordados a escala global y local desde tres estrategias: modelación de la estructura de salinidad de desembocaduras; análisis de bases de datos de los forzadores ambientales y recursos hidráulicos relacionados con la SGE en desembocaduras; y parametrización de las relaciones entre los forzadores, la estratificación y los potenciales de SGE. Los resultados muestran que: sólo en desembocaduras con rango medio de marea menor a 1.2 m es factible generar SGE; 20% del caudal los ríos puede ser utilizado para la generación de SGE; el aprovechamiento de SGE en desembocaduras tiene una alta confiabilidad con 84% de factor de capacidad; y 625 TWh/y de SGE son extraíbles las desembocaduras alrededor del mundo considerando restricciones técnicas y ambientales. Pero más allá de estas cifras, las contribuciones más importantes de estas tesis son: el desarrollo del concepto de “site-specific potential” para estimar los recursos de SGE en desembocaduras con mayor precisión; la descripción de la relación entre estratificación y potencial de SGE; la clasificación de las desembocaduras de acurdo con la factibilidad para el aprovechamiento de SGE; los mapas de la distribución global de los recursos; el planteamiento de una metodología para estimar los recursos extraíbles de desembocaduras particulares; y la discusión general de las restricciones físicas y ambientales de la generación de SGE en desembocaduras. En conjunto, estas contribuciones constituyen un avance significativo en el estudio del aprovechamiento de SGE en desembocaduras