Energía mareomotriz y las olas

Energía mareomotriz

Introducción

La posibilidad de la extinción de los recursos energéticos fósiles, entre otros motivos, ha conducido a la comunidad científica a considerar el aprovechamiento de fuentes energéticas alterativas renovables, tales como las derivadas del sol, del viento y del océano. Las técnicas de captación de las energías solar y eólica, por ejemplo, han alcanzado ya un grado de desarrollo tal que se han convertido, en algunos casos en económicamente rentables.
La disponibilidad universal de los recursos marinos hace que estos sean vistos como una fuente para saciar, en parte, la creciente demanda de potencia eléctrica que, según se predice, podría llegar a rondar los 10° W en el próximo siglo.
Si bien la tecnología para captar la energía oceánica existe, Las dificultades que implican las operaciones en el mar hacen que su extracción no resulte tarea fácil. Las posibilidades son muy variadas e incluyen las olas, las corrientes oceánicas, los gradientes térmico y salino del agua de mar, y la marea. De todas ellas, las que han alcanzado un mayor grado de desarrollo son las que se basan en las olas, el gradiente térmico y la dinámica de la marea. Las restantes se hallan en etapas menos avanzadas.
Cada una de estas posibilidades representa una considerable inversión de capital y posee sus propias limitaciones y problemas de implementación.
Algunas tienen una producción intermitente, otras necesitan costosos sistemas de almacenamiento, pero todas deben estar en fase con la infraestructura económico-social proporcionada por las tecnologías convencionales.
Es evidente que de todas las formas de energía contenidas en el mar sólo sea posible utilizar aquellas que se adecuen a las restricciones que imponga la propia región de interés. Por ejemplo, para la conversión de la energía de las olas se requiere que la zona cuente con un adecuado promedio anual en la velocidad del viento, así como con una buena exposición de la costa frente al mar (Hagerman, 1988). En el caso de la energía derivada de la marea, el hecho de que se necesiten simultáneamente grandes amplitudes y determinadas condiciones morfológicas, tales como golfos, bahías profundas o estuarios, limita el número de lugares en el mundo en condiciones de albergar un proyecto de este tipo (Carmichael, Adams y Glocksman, 1988). Otro tanto ocurre con la conversión de la energía a partir del gradiente térmico entre las aguas superficiales y las profundas; éste debe ser del orden de los 20°C, lo que sólo se verifica en la zona comprendida entre las latitudes 20°N y 20°5 (Kinelski, 1985).

Recursos de las mareas

Los recursos de las mareas son las variaciones que se dan en el nivel del mar dos veces al día, causadas, principalmente, por el efecto gravitacional de la Luna, y en una menor medida, del Sol, en los océanos del planeta. La rotación de la Tierra es también un factor en la generación de las mareas. El aprovechamiento de la energía de las mareas no es un nuevo concepto y se ha venido usando desde, al menos, el siglo XI en Inglaterra y Francia para el almacenamiento en molinos de granos.

Física de las mareas

Es esencial comprender los principios que producen el aumento de las mareas para explicar la energía de las mismas. Si bien es complejo alcanzar un conocimiento profundo de las interacciones que se encuentran en juego, el origen de las mareas puede ser explicado en términos generales investigando los efectos gravitacionales de la Luna y el Sol en el océano y el efecto de las fuerzas centrífugas.

Efectos gravitacionales y la fuerza centrífuga

La interacción de la Luna y la Tierra dan como resultado que los océanos del planeta crezcan hacia la Luna. En el lado opuesto de la Tierra a la Luna, el efecto gravitacional está parcialmente neutralizado por la Tierra, resultando en una menor interacción y los océanos ubicados en ese lugar se alejan de la Luna, debido a las fuerzas centrífugas. Esto es conocido como Marea Lunar. Esta situación se complica por la interacción gravitacional del Sol que resulta en un efecto idéntico, de los océanos del planeta creciendo y alejándose del Sol en los lados adyacentes y opuestos de la Tierra. Este fenómeno es conocido como Marea Solar.
Como el Sol y la Luna no están ubicados en posiciones fijas en la esfera celeste, sino que cambian de posición con respecto uno del otro, su influencia en el rango de mareas (la diferencia entre la marea alta y baja) también se ve afectada. Por ejemplo, cuando la Luna y el Sol están en línea con la Tierra, el rango de marea es la superposición del rango de las Mareas Lunar y Solar. Esto resulta en el rango de marea máximo (mareas de primavera). Por el contrario, cuando la Luna y el Sol están ubicados en ángulo recto a cada uno, se producen las diferencias de mareas más pequeñas (ver Figura 1), resultando en las Mareas Muertas.

Figura 1: Efecto gravitacional del Sol y la Luna en el rango de mareas
El rango de la marea de primavera es normalmente el doble de la de la marea muerta, mientras que los ciclos de períodos más largos señalan menores perturbaciones. En el océano abierto, la amplitud máxima de las mareas es de aproximadamente un metro. Las amplitudes aumentan sustancialmente hacia la costa, particularmente en los estuarios. En algunos casos el rango de mareas puede ampliarse por la reflexión de la ola de marea en la línea costera o por resonancia. Este es un efecto especial que ocurre en estuarios largos, con forma de trompeta, cuando el largo del estuario es cercano a un cuarto del largo de la ola de la marea. Estos efectos se combinan para generar un rango de marea de primavera de más de 11 metros en el Estuario Severn en el Reino Unido. Como resultado de estos diversos factores, el rango de la marea puede variar sustancialmente entre diferentes regiones costeras.

Mareas

En el océano las fuerzas de origen externo son producidas por el Sol y la Luna. El Sol, por calentamiento, da lugar al movimiento del aire, es decir, los vientos, y la Luna colabora en la generación de la marea, o sea que produce el ascenso y descenso periódico de la superficie del mar. Los movimientos del aire se originan con los cambios de temperatura. El Sol calienta la Tierra, las aguas y el aire que la rodean, pero este calentamiento no es uniforme. El aire se calienta más en ciertas partes del planeta que en otras. A mayor calor el aire se torna más liviano y se eleva, dando lugar a zonas de bajas presiones.
Los astros generadores de la marea son. en orden de importancia, la Luna y el Sol. Juntos dan lugar a la marea, pues ambos atraen las masas de agua de la Tierra en la misma forma que ésta atrae objetos próximos a su superficie.
Debido a la fuerza de atracción gravitacional y a! hecho que la Luna, el Sol y la Tierra se hallan en movimiento en relación uno con el otro, las aguas de las cuencas oceánicas también se ponen en movimiento. Una vez que esto ocurre, se manifiesta el fenómeno de la marea.
El movimiento de los grandes volúmenes de agua por efecto de la marea es una forma de movimiento ondulatorio.

Corrientes y tormentas

En el océano, las bahías y las lagunas adyacentes, las corrientes se producen cuando el agua de una zona se encuentra más alta que la de otra zona próxima. El agua de la zona más alta fluye hacia la más baja, creando así una corriente.
Algunas de las causas de estas diferencias de alturas en el mar se deben al viento, la marea, la rompiente y a las corrientes que retornan hacia el mar desde la zona costera.
El viento, al soplar sobre el agua superficial, crea una "tensión" sobre las partículas de agua e inicia el movimiento de ellas en la dirección en la cual está soplando, creándose de este modo una corriente superficial. Cuando una corriente de estas características se dirige hacia la costa, el agua tiende a apilarse contra ella, produciendo así una sobreelevación. Se ha comprobado que durante tormentas violentas el viento puede elevar el nivel del mar en varios metros.

Características de las playas

Una playa se caracteriza por las dimensiones medias de las partículas de arena que la componen, por el rango y la distribución de las dimensiones de dichas partículas, por la altura y ancho de la berma, por la pendiente de la anteplaya y por la pendiente general de la costa interior y la zona frontal de la playa.
Por lo general, cuanto mayor es el tamaño del grano que compone la arena, mayor será la pendiente de la playa, en cambio, cuanto más fina es la arena menor será la pendiente de la playa.

Las mareas para producir energía

La necesidad de la energía de las mareas en un sistema de energía sustentable

La energía de las mareas presenta un potencial muy grande para mejorar el transporte, debido al desarrollo de puentes para automóviles y ferroviarios sobre estuarios, y la reducción de las emisiones de gases que producen el efecto invernadero, gracias a la utilización de la energía de las mareas en reemplazo de los combustibles fósiles. Las mareas pueden proveer una base de generación de energía para desplazar a los combustibles fósiles y a las tecnologías contaminantes que dañan directamente el medio ambiente. Existen problemas con los sistemas de mareas que utilizan grandes represas para su generación, sin embargo existen otros métodos para generar energía de a partir de las mareas que no requieren este tipo de grandes construcciones.

El recurso

El World Offshore Renewable Energy Report 2002-2007 (Informe de la Energía Renovable Fuera de Costa Mundial 2002-2007), emitido por el DTI en el Reino Unido, señala que existía un estimado de 3000GW de energía de las mareas disponible (BWEA 2004). Sin embargo debido a la naturaleza de este recurso, la cantidad de energía que se puede obtener de las mareas varía según la ubicación y el momento. El cambios de rendimiento del flujo y el reflujo de cada día; también pueden variar en un factor de aproximadamente cuatro a lo largo de un ciclo de marea de primavera – marea muerta. De todas formas esta variabilidad es altamente predecible tanto en el volumen como en el momento, debido a la naturaleza de la física que subyace a las mareas.

El futuro de la energía de las mareas

El futuro de la energía de las mareas parece comenzar a brillar con el desarrollo de tecnologías de generación de mareas que tienen poco impacto en el medio ambiente, y que además tienen costos de capital más bajos y por lo tanto menores costos de producción. La energía de las mareas parece estar comenzando a ser una parte importante del futuro de la energía sustentable.

eneración de energía a través de las olas

¿Qué produce las olas?

Las olas del océano son producidas por una variedad de fuerzas incluyendo las fenómenos meteorológicos (como el viento y la presión atmosférica), fuerzas astronómicas (efectos gravitacionales de la luna y el sol), y fuerzas geológicas (terremotos subacuáticos que pueden producir tsunamis). Este informe se dedicará a los fenómenos meteorológicos que pueden actuar sobre los océanos del globo.
El viento puede claramente, transferir algo de su energía al agua. El agua puede ganar energía del viento, por la fricción entre el viento y el agua. Esto es muy fácil de comprobar soplando sobre una vaso de agua y observando las “ondas” u olas que se producen. Sobre los océanos y lagos, las olas que se generan como resultado del viento se denominan “olas oceánicas superficiales” (NOAA, 2006).
Inicialmente, los vientos leves generan ondas pequeñas llamadas olas capilares sobre la superficie del agua. Si el viento aumenta, la agitación adicionada creada por las olas capilares aumenta el rango de transferencia de energía y las olas se comienzan a formar en la superficie del océano. En una zona donde el viento sopla a través de la superficie del océano, y donde las olas se generan, la superficie se caracteriza por olas con diferentes largos que se mueven en forma aleatoria en la dirección del viento. Se conoce a este tipo de situación como “mar”. El tamaño que las olas pueden alcanzar depende de 3 factores:

1. La fuerza del viento
2. El período de tiempo durante el que el tiempo sopla
3. La distancia (llamada fetch) sobre la que el viento sopla en una línea recta sobre el océano

Cuanto más fuerte sea el viento, y si sopla durante un largo período a lo largo de una determinada distancia, más grande será el mar. Un “mar” completamente desarrollado se produce cuando las olas alcanzan el tamaño máximo posible de acuerdo a un determinado viento, duración y distancia (New Jersey Marine Science Consortium, 2005).
La Figura muestra un modelo del 20 de abril de 2006, que indica alturas de las olas a nivel global (indicado por color) y la magnitud y dirección en que las olas están viajando (indicado por una flecha blanca y su largo).

La necesidad de incorporar a los recursos de las olas en un sistema de suministro de energía

En el contexto de un desarrollo sustentable, hay muchos factores que se toman en cuenta al momento de realizar decisiones relacionadas con la producción de energía: impacto ambiental, manejo apropiado de los residuos, mayor seguridad, cuestiones intergeneracionales, e igualdad internacional. Teniendo en cuenta el interés sobre los cambios climáticos producidos por el hombre, existe una preocupación creciente sobre la obligación de utilizar recursos de energía sustentables. La energía de las olas es uno de esos recursos sustentables.

El Viento

¿De dónde proviene la energía del viento?

Toda la energía renovable (excepto la energía de las mareas y la geotérmica), en última instancia viene del sol. El sol irradia 174.423.000.000.000 kilovatios/hora de energía a la tierra. Es decir, en una hora la tierra recibe 1.74 x 1017 vatios de energía.
Aproximadamente entre el 1 y el 2 por ciento la energía que proveniente del sol es convertida en viento. Ésa cantidad es de 50 a 100 veces más que la energía convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra.
Las diferencias de temperatura conducen a la circulación de aire. Las regiones alrededor de ecuador, de latitud 0°, son calentadas por el sol más que el resto del planeta. El aire caliente que es más ligero que el aire frío y se eleva hasta alcanzar aproximadamente 10 kilómetros (6 millas) de altitud y se separará en dos corrientes una se dirige hacia el norte y otra al sur. Si el globo no rotara, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al polo sur, bajaría, y volvería al ecuador.

El recurso

El World Energy Council (Concejo Mundial de Energía) ha estimado el potencial de la energía de las olas en 2.000 GW (New Scientist, 2003). El recurso de energía de las olas global es de 2 TW, con el potencial de una generación de más de 2000 TWh anuales (World Energy Council, 1993. Thorpe, 1998. Mei, 2005).
La energía de las olas es el nombre que se le ha dado a la energía contenida en las olas. La cantidad de energía de una sola ola es considerable. La energía potencial de un grupo de olas es proporcional a la altura de las olas al cuadrado del período de las olas (el tiempo entre las crestas de las olas). Las olas de períodos más largos tienen largos de olas relativamente más largos y se mueven más rápido. Esta energía potencial es igual a la energía cinética (que puede ser empleada). La energía de las olas se expresa en kilowatts por hora en una región, por ejemplo una línea costera. Sin tener en cuenta las olas creadas por grandes tormentas, las olas más grandes miden aproximadamente 15 metros de alto y tienen períodos de aproximadamente 15 segundos. Este tipo de olas tienen una energía potencial de 1700 kilowatts a través de cada metro de frente de olas. Una región de mucha energía de olas podría tener un flujo potencial mucho menor a este: alrededor de 50 kW/m.

El recurso global de las olas en kW por metro de cresta.
Para una típica marejada (swell) con un período de 10 segundos, el rango de flujo de energía es de 40 kW/m si la amplitud es de 1 mt (olas suaves) y 1000 kW/m si la amplitud es de 5 mt (olas largas). En esta última situación (olas altas con una sola frecuencia), la energía disponible (teóricamente) es de 1000 MW por km de línea costera. Esto es comparable a una estación de energía de combustión de carbón ordinaria. Sin embargo, en la práctica sólo una fracción de esta energía puede ser extraída, porque la intensidad de las olas tiene una gran variabilidad, ya sea horaria, diaria y también estacional (MIT, 2005).

El futuro de la energía de las olas

La energía de las olas tiene un gran potencial, ya que lograría mayores rendimientos que la energía de las mareas. La energía potencial de las olas es vasta y puede ser explotada en muchas regiones. Los países con largas líneas costeras y fuertes vientos persistentes pueden producir cinco por ciento, o más de su electricidad a través de la energía de las olas.