La energía del mar segunda parte: Las mareas y su disponibilidad de energía



Sergio Corp Linares
Doctor en Ciencias Técnicas. Especialista en energías renovables, de CUBAENERGIA.
Tel. (537) 2025531-39 (ext. 353).
E-mail: sergio@cien.energia.inf.cu

El uso de los recursos alimenticios del mar
es milenario; sin embargo, el aprovechamiento
de la energía mareomotriz es una práctica
sólo de los últimos siglos.

El término marea se ha expresado en la literatura de variadas maneras que van desde lo pintoresco hasta lo científico. Se ha dicho que es el pulso del océano, una onda física o el vaivén del mar, entre otros calificativos. Cualquiera de estos describe el fenómeno, pero a la hora de una definición técnica resulta más ilustrativo si se enuncia como sigue: las mareas son un fenómeno oceanográfico, resultado de la interacción de la Luna y el Sol sobre la Tierra, y también está influenciado por la actividad de otros astros y la densidad del agua de mar, entre otros factores, que provocan la variación del nivel de mares y océanos y traen aparejado oleaje.

Nociones sobre las mareas
Las observaciones de las mareas datan de antes de nuestra era. Aristóteles realizó observaciones oceánicas; sin embargo, los reportes con que se cuentan hoy día son relativamente recientes. Con el incendio de la biblioteca de Alejandría se perdieron registros sobre los océanos de más de diez siglos. Afortunadamente, los estudios paleontológicos han traído a la luz valiosa información, y demuestran que cien millones de años atrás los años duraban 400 días de 21 horas y las mareas eran más intensas que las actuales, debido a que la Luna y la Tierra estaban menos distantes.

El estudio científico del comportamiento de las mareas se debe a Isaac Newton, y su estudio aparece recogido en su libro Principios matemáticos de la filosofía natural, de 1686. Según su ley de la gravitación universal, la fuerza de atracción entre dos cuerpos es directamente proporcional al inverso del cuadrado de la distancia entre ellos y se expresa matemáticamente, como:  


La central mareomotriz de Rance, en Francia, constituyó el primer ejemplo de aprovechamiento no experimental de la energía de las mareas, para producir anualmente más de 500 GWh.

F = G(mM/d²)

Siendo la constante de gravitación universal: G = 0,667.10-10 m³/kg.s².
A partir de esta se obtuvo la expresión para determinar la fuerza de las mareas, que en términos matemáticos es:

FM = G(mM/d³)Rt

Considerando los siguientes datos:

M (kg)

R (m)

Sol

2.1030
6,955.108

Tierra

6.1024
6,4.106

Luna

7,3.1022
1,738.106

Y teniendo en cuenta que las distancias entre la Tierra y la Luna y entre la Tierra y el Sol, a partir de sus centros geométricos, son dTL = 3,81.108 m y dTS = 1,5.1011 m, respectivamente; entonces se puede comprobar que la fuerza de gravitación del Sol sobre la Tierra es alrededor de 178 veces mayor que la que ejerce la Luna; sin embargo, la fuerza de marea ejercida por la Luna sobre las aguas es 2,2 veces la del Sol. Por otro lado, aunque la masa del Sol es 274 000 000 de veces la de la Luna, el Sol está 394 veces más lejos que la Luna del planeta Tierra.

La fuerza de mareas se ejerce sobre los océanos que están frente al lado que muestra la Luna. Esa fuerza atrae el agua, y también a la Tierra. Cuando la Tierra es atraída se aleja de las aguas en su lado opuesto, lo que provoca variación en la marea de esa zona. Como efectos secundarios se provoca un frenado en la rotación de la Tierra y la aceleración de la Luna, alejándose esta última de la Tierra 3 cm cada año.

Comportamiento de las mareas
La manera más simple y primitiva de medir el nivel de las mareas es introducir una regla graduada en la costa y comparar la medición con la altura de la bajamar media, que es un sistema de referencia internacional. Se emplean, además, los mareógrafos interconectados a computadoras que se ubican en boyas y en los buques de investigación.

El comportamiento de las mareas es variado, aunque presenta periodicidad. En la mayoría de las costas se dan dos mareas al día, y en otras aparece sólo una al día. En otros sitios se observan las llamadas corrientes u olas de mareas, que son movimientos horizontales del agua que se observan en mares, estuarios y fiordos producidos por la propia marea. Donde se presenta este fenómeno no se advierte pleamar y bajamar, sino flujo y reflujo si las mareas entran o salen. Cuando aquí se habla de marea, el parámetro predominante que se asocia a la misma es la altura, y cuando se alude al flujo y reflujo es el movimiento del mar entrando y saliendo de la costa.

Según la posición de la Luna con respecto al Sol y a la Tierra se presentan dos tipos de mareas: las vivas o de sicigias y las muertas o de cuadraturas.
Durante la luna nueva y la luna llena se alinean el Sol, la Luna y la Tierra y se presentan las mayores mareas (vivas). Durante los cuartos lunares, menguante y creciente, el Sol, la Luna y la Tierra están en ángulo recto, por lo que se dan mareas de amplitud inferior, que son las muertas.

De acuerdo con la distancia entre la Luna y la Tierra se producen las mareas de perigeo y apogeo, cuando dicha separación es máxima y mínima, respectivamente. La amplitud de la marea de perigeo se incrementa y disminuye cuando es de apogeo.

Cuando coinciden las mareas vivas con la de perigeo se originan mareas extraaltas y en caso contrario las mareas extrabajas.

Aprovechamiento de las mareas
Hace muchos siglos atrás el hombre empezó a usar la energía de las mareas, empleando molinos. Se registran en la literatura el uso de estos en el siglo xix en Chesburgo, Francia, y en el país Vasco, desde el año 1683, que aun en nuestros días están trabajando. En el artículo anterior (Energía y tú, no.17), se trataron aspectos relacionados con las olas y las marejadas, y se presenta una serie de ventajas relativas que tiene la utilización de la energía de las olas cuando se compara con la de las mareas.

El aprovechamiento de la energía de las mareas depende de las condiciones que brindan determinadas zonas geográficas, y muchas veces el lugar adecuado está muy distante de los consumidores. Por otra parte, se necesita construir presas y embalses costosos.
Dado que las olas aparecen donde existe el viento y esto ocurre en cualquier zona del planeta, se amplían sus posibilidades de empleo. Los dispositivos utilizados transforman la energía de varios movimientos asociados a las olas, pero no se necesita el almacenamiento del líquido. Pese a esto, en la actualidad, en la clasificación del aprovechamiento de las energías del mar, las centrales mareomotrices son las más potentes. La potencia de una central mareomotriz varía del novilunio hasta el plenilunio y es discontinua a causa del flujo y el reflujo, es de bajo rendimiento, pero esto es imputable a los métodos de transformación de energía utilizados.

Se consideran pioneros de la explotación moderna de las mareas a los habitantes de Husum, una pequeña isla alemana ubicada en el Mar del Norte. En este lugar, en el año 1915, se cultivaban ostras en tanques conectados a un canal donde se ubicaba una turbina que producía energía eléctrica para iluminar la instalación a partir del desnivel de las mareas. Con posterioridad, en 1967, se construía en Francia, en la desembocadura del río Rance, la primera central mareomotriz. Se construyeron después tres centrales experimentales, en 1968 en Murmansk, en el mar de Barents, en 1983 en Jiangxi, China, y en 1984 en Anápolis, Canadá.

Puertos o bahías

Amplitudes de marea (m)

Puerto Peñasco, Sonora, México
8,0
Liverpool, Bristol, Inglaterra
10,0
Braunagar, India
12,5
Bahía Collier, Australia
14,0
Bahía Mont Saint Michel, Francia
15,0
Río Gallegos, Argentina
18,0
Bahía Fundy, Canadá
19,0

Central mareomotriz de Rance
El proyecto de esta central mareomotriz se llevó a cabo construyendo un dique que cierra la entrada del estuario y, a través de una esclusa, permite la comunicación de este con el mar, asegurando además la navegación por su interior. Entre los muros de este dique artificial se encuentran las turbinas y los generadores eléctricos, las salas de máquinas auxiliares y los locales del personal encargado del funcionamiento de la planta. En su parte superior existe una vía que quienes la recorren sin tener previo conocimiento de la obra no imaginan la actividad que se desarrolla bajo sus pies.

Veinticuatro generadores eléctricos accionados por la misma cantidad de turbinas hidráulicas, llamadas reversibles o de doble efecto, giran en ambos sentidos a 5 700 rpm y logran una potencia máxima de 240 MW, convirtiendo la energía de 20 000 m³/s de agua salada en el momento de máxima altura. Estas turbinas, además, funcionan como bombas, cuyo objetivo es aumentar el nivel del agua en los sentidos río-mar y mar-río, para incrementar la efectividad de la instalación.

Cada máquina está ubicada en el interior de una cámara que se comunica con un tubo de acero, que permite cargar y descargar el mar al embalse y viceversa, y mediante otro tubo se permite el acceso del personal de mantenimiento. Se estima que el costo de la instalación es 2,5 veces el de las centrales hidroeléctricas de ríos.

Otras instalaciones
En nuestros días se cuenta con centrales mareomotrices con un solo embalse en las costas del Canal de la Mancha, en la bahía de Fundy, y en el golfo de San José, Argentina.

En las centrales construidas en Gran Bretaña, Australia y la India se redujo el costo de la instalación entre 25 y 30 % al utilizar estructuras flotantes, que son remolcadas hasta el lugar de destino.

Debido a que la energía producida por este tipo de planta es discontinua a causa del período de las mareas y la cantidad generada es variable, dependiendo de la altura alcanzada, un problema siempre difícil de resolver es la distribución de la carga con estas irregularidades y la interconexión con el sistema electroenergético.

Perspectivas
Para poder ampliar el uso de la energía de las mareas es necesario el empleo de tecnologías rentables a las que puedan tener acceso los países con relativamente bajos niveles de mareas.

A la idea del aprovechamiento de la energía cinética vertical de las mareas se ha unido el criterio de utilizar la energía cinética lateral de las mareas en las turbinas Davis, para reducir de esta manera los costos que acarrean las grandes represas que se utilizan en las instalaciones actuales. La introducción de dichas máquinas permitirá alcanzar factores de capacidad de 40 %, competitivos con los sistemas eólicos.

La experiencia acumulada en cada instalación construida incentiva la proyección de nuevos proyectos, lo que augura que en un futuro la energía de las mareas podrá convertirse en un componente importante del abastecimiento energético; aunque las perspectivas más eficientes e inmediatas se prevén en el uso del gradiente termoceánico, tema de análisis que aparecerá en el próximo número de la revista Energía y tú.