La
energía del mar
Primera parte: La energía de las olas
Sergio
Corp
(CUBAENERGIA)
Con este trabajo se comienza una serie de tres artículos
sobre el tema del aprovechamiento de la energía de los mares
y océanos, con el objetivo de incrementar la cultura energética
y conocer el estado del arte en esta temática.
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El lector podrá corroborar desde un inicio que las aplicaciones
e instalaciones empleadas son aisladas, están sometidas a la inclemencia
del tiempo y son relativamente costosas, por lo que su aplicación
práctica está limitada y en todo momento debe ser precedida
por un convincente estudio de factibilidad técnico-económica.
El mar ha sido sustento alimenticio para el hombre desde sus inicios y
una fuente de recursos naturales y de calor hasta ahora inagotables. El
agua de mar es una solución de sales en forma de cloruros, carbonatos
y sulfatos que se encuentran disueltas y distribuidas sin uniformidad,
de manera tal que los océanos se componen de volúmenes de
agua a diferentes profundidades, cuya composición y temperatura
son variables y técnicamente se denominan masas de agua. Esto nos
hace recordar el término masa de aire, empleado en el análisis
de la radiación y en la meteorología, que denomina a volúmenes
de aire localizados a diferentes alturas en la atmósfera.
Al estudiar las diversas masas de agua se puede conocer sobre la vida
en los océanos. El total de área cubierta por agua marina
es de 360 000 000 km², de los
510 000 000 km² de área total del planeta, y toda
esta masa de agua se halla establemente estratificada.
Al observar el mar desde un punto distante, este refleja un color azul.
La luz solar penetra en los océanos poco más de doscientos
metros como promedio, una parte de su espectro se transforma en calor,
mientras que el visible se dispersa en el agua.
De este, las radiaciones con longitudes de ondas correspondientes a los
colores rojos, naranja y amarillo se absorben por el agua y desaparecen,
mientras que las de los colores violetas, verdes y azul penetran, reflejando
el bello color azul verdoso que a todos deleita. Esta apariencia general
puede variar en zonas particulares a causa de acumulaciones de algas que
trasmiten sus propios colores.
El movimiento del mar, aun en la calma, es apreciable a través
de las olas. Debajo de su superficie se almacena un enorme potencial energético
que a criterio de los especialistas supera los 3x1020 J-año, el
cual es varias veces el consumo global de energía en el mundo;
pero su utilización es problemática y en muchos casos imposible.
Sin embargo, el hombre ha logrado su empleo en determinadas zonas del
planeta.
La génesis de la energía contenida en el mar proviene de
la interacción de los astros, en especial entre la Luna y el Sol,
lo que provoca la formación de corrientes marinas, ondas, olas
y mareas. La energía primaria proveniente de estas transformaciones
es mecánica en sus formas cinética y potencial, y su empleo
se inició con la navegación. En general, la circulación
oceánica es un fenómeno complejo en el que intervienen un
grupo de factores, como son: el campo gravitatorio, la rotación
de la Tierra, la fricción, la presión atmosférica,
la densidad, la profundidad y el calentamiento de los océanos.
Por otra parte, el mar como reservorio de energía en forma de calor,
retiene una parte de la energía calorífica que le llega
con la radiación solar, creándose una diferencia de temperatura
entre la superficie y el fondo, conocido como gradiente termoceánico.
Otras fuentes de energía de los océanos que suscita gran
interés, lo constituyen: el gradiente de salinidad, cuya aplicación
práctica está menos extendida por la dificultad del proceso
de transformación; el sulfuro de hidrógeno, gas combustible
de elevado valor calórico; y un grupo de algas distribuidas en
más de un tercio del océano, que se considera una biomasa
de la que se puede obtener gases combustibles, como metano y etano. Por
todo lo expuesto, se dice que los océanos se comportan en la naturaleza
como una fuente térmica de inapreciable valor; pero ¿hasta
dónde es admisible la extracción de energía térmica
de los océanos sin afectar el medio ambiente? Un indicador importante
a considerar es que la disminución admisible de la temperatura
de la superficie de los océanos no debe superar los 0,5 K.
Las ondas y las olas
El viento proporciona al mar la energía necesaria para desarrollar
las olas y las ondas. Estas últimas son ondulaciones que se aprecian
en la superficie del mar, aun cuando el viento sopla débilmente,
y se caracterizan por aparecer en grupos durante un período de
tiempo. La energía contenida en las ondas puede ser subdividida
en potencial y mecánica. A causa de la primera, el nivel del mar
se deforma, y debido a la segunda se establece un movimiento longitudinal.
Las ondas marinas surgen sólo en determinadas zonas del planeta.
Una de estas, el área que encierra a las islas Azores, es también
un centro de bajas presiones que influyen en el clima del Atlántico
y pueden generar grandes olas dependiendo de la velocidad del viento.
Al menos, por medio de materiales fílmicos, hemos podido apreciar
la potencia de las olas bajo la influencia de los huracanes pero esta
no es prácticamente aprovechable. Las olas se forman por la acción
del viento, después crecen y se entremezclan en el mar. Se ha calculado
que una ola inicial de 150 m de longitud, tarda 30 h en
ir de las islas Azores a Marruecos. La altura de las olas es variable
con los océanos. Las olas más altas observadas en el Atlántico
no rebasan los 20 m. En el Mediterráneo no exceden los 8
m , mientras que en el océano antártico se producen
olas hasta de 30 m.
Representación sinusoidal de una ola. La amplitud de la ola puede
alcanzar 20 m.
Existen
además los tsunamis (tsu, puerto; nami, ola), que son olas
de 1 m de altura, pero de gran longitud de onda, que llegan a la costa
en forma de marejada y provocan destrucciones. La altura de las olas se
puede determinar utilizando varios métodos: por estereofotografía
del mar,mediante un radar de microondas conectado a un satélite,
y con una boya que tenga instalado un sensor de presión hidrostática
y un transmisor. Este parámetro es fundamental en el cálculo
de la potencia generada por las olas.

Estación de Ocean Grove, utilizada para bombear agua
hacia el tanque
superior de la torre.
El
hombre en su afán por aprovechar la energía del oleaje ha
creado diferentes dispositivos. Los procesos de las olas que permiten
convertir su energía en electricidad, son: la variación
del nivel del agua, las oscilaciones longitudinales de estas, la variación
de la inclinación de la superficie libre, la variación de
las presiones hidrodinámica e hidrostática y las fuerzas
de inercia. En los convertidores de energía empleados para esto,
se verifican los siguientes efectos y métodos: efecto piezoeléctrico,
las oscilaciones forzadas y los métodos neumáticos e hidráulicos.
El aprovechamiento de las olas data de finales del siglo xvi. Se recoge
en la literatura que uno de los primeros dispositivos empleados para el
aprovechamiento de las olas fue ideado por los hermanos Gerard, de origen
francés, que consistió en recuperar y almacenar el agua
de mar a determinada altura y este se utilizó posteriormente en
numerosas villas de Inglaterra. En las primeras décadas del siglo
xix el ingeniero M. Fursenot puso en práctica en las costas de
Argelia un dispositivo que transformaba las oscilaciones de las olas empleando
un juego de levas y engranajes. En 1899, en Ocean Grove a 110 km
al sur de Nueva York, se construyó una instalación que utilizaba
la energía de las olas por medio de una placa receptora, que al
estar unida a los vástagos de unas bombas elevaba el agua a un
grupo de tanques elevados. En 1931, se aprovecharon las olas para bombear
agua al acuario del Museo Oceanográfico de Mónaco, con un
aparato que trabajó durante diez años, y resultó
destruido por el propio efecto de las olas. En las costas de Mónaco
también se utilizó en 1934 un proyecto que empleaba un rotor
savonious para el bombeo de agua.
Crisis
energética y energía del mar
El decremento del petróleo en los años setenta provocó
que el uso de la energía del mar fuera más tentativo. Se
presentaron cuatro proyectos que fueron analizados por el departamento
de energía del Gobierno inglés, y entre 1976 y 1981 se asignaron
trece millones de libras esterlinas para las investigaciones en esta esfera.
El ingeniero Stephen Salter, de la Universidad de Edinburgo, presentó
un proyecto conocido como el «pato» de Salter, en 1973. Este
es un tipo de estructura cuya sección transversal tiene forma de
leva, asemejándose a un pato flotando en el agua. La zona de mayor
diámetro permanece dentro del agua, opera como pivote frente al
embate del mar y en ella se ubica un grupo de bombas que impulsan el agua
a máquinas hidráulicas que están unidas a generadores
eléctricos.

El «pato» de Salter constituyó un dispositivo interesante
para convertir la energía de las olas en energía eléctrica.
Este
diseño implica el uso de un grupo de estos patos, que se articulan
por medio de una espina dorsal apoyada en sus extremos en grandes boyas,
y se fijan al fondo del mar. Este eje se construyó con 15 m
de diámetro para soportar la potencia máxima de las olas,
pese a ello su resistencia y estabilidad fueron cuestionadas por ser su
principal defecto. En las referencias consultadas no se exponen los materiales
empleados en su construcción, pero se plantea que ubicados en posición
paralela al oleaje puede aprovechar hasta 90 % de las olas.
En Southampton, a 800 km de Edinburgo, al sur de Inglaterra, un
equipo dirigido por Cristopher Cockerell trabajó en el diseño
de un tipo de "balsa" capaz de aprovechar el movimiento de las
olas. La balsa debe adoptar el nivel del mar y a la vez ejecutar sus funciones,
por lo que para ello el diseño fue concebido por módulos.
Al principio se proyectó formar una balsa con siete partes, pero
en la práctica se construyeron de tres y dos partes articuladas,
logrando mayor estabilidad. El movimiento de la balsa provoca la acción
de émbolos, que posibilitan bombear el líquido a la máquina
hidráulica que está acoplada a un generador eléctrico.
En 1974, Cockerell creó la sociedad Wave Power Limited para la
comercialización de estos trabajos. Se instalaron prototipos cerca
de la isla Wight, al sur de Inglaterra, hasta llegar a instalar una balsa
de 50 m de ancho y 100 m de longitud en las costas de Escocia,
que entregaba una potencia de 2 MW ocupando un área de 0,005
km² y con un frente de ola de 100 m. De manera que
100 MW de potencia se pueden producir con un frente de ola de 5
km y con un área de equipamiento de 0,25 km².

Turbina neumática ideada por el japonés Masuda, y utilizada
por los ingleses posteriormente.
1- compresión de aire 2- expulsión de aire 3- válvula
4- generador eléctrico 5- turbina 6- admisión de aire
Aproximadamente
esta es el área que ocupa una termoeléctrica que consumiendo
fuel oil produce la misma potencia. Otro proyecto británico se
llevó a cabo en el National Engineering Laboratory, situado en
Glasgow. Se basa en el perfeccionamiento de un dispositivo ideado por
el ingeniero japonés Ioshio Masuda, denominado por los ingleses
"columna de agua oscilante", que consiste en un recipiente que
tiene dos compartimentos o vasos que se inundan con el agua de mar. Cuando
pasa la ola, el nivel del agua se incrementa comprimiendo el aire de la
parte superior del vaso que alcanza una velocidad de hasta 100 m/s,
para posteriormente pasar a través de una turbina acoplada a un
generador eléctrico, cuando el nivel baja se hace vacío
y se aspira aire del exterior que circula a través de dicha turbina
realizando el mismo efecto.
Los trabajos de los investigadores ingleses no pasaron de prototipos;
sin embargo, el equipo de Masuda puso en práctica en Japón
un dispositivo denominado "Kamiei" montado en una barcaza de
80 m de longitud y 12 m de ancho con orificios en su parte
inferior, ubicada en las costas del Japón, que producía
1,3 MW. En el año 1977, un primer navío japonés
de 400 m de longitud utilizó el sistema para producir electricidad.
En Oxford, un equipo de trabajo dirigido por Robert Russel de un laboratorio
de investigaciones hidráulicas creó un sistema de aprovechamiento
de la energía de las olas denominado "rectificador".
Es una construcción amplia expuesta a la costa e internamente separada
en dos partes. Cuando la ola llega al equipo pasa a través de válvulas
al reservorio superior, donde permanece hasta que se deja trasegar hacia
la parte inferior y en su recorrido acciona una turbina hidráulica
que está coaxialmente unida a un generador eléctrico.
En la
actualidad han sido más avanzados los proyectos de Salter y Cockerell.
Según el propio Salter, 1 kW producido con una instalación
marina cuesta diez veces más que si se produce mediante una central
térmica de petróleo. Aunque los costos han decrecido, el
criterio de los especialistas, en la actualidad, es que una planta que
opere con la energía de las olas, de 10 MW de potencia,
cuesta diez millones de dólares. En nuestros días, el costo
de instalación de una planta termoeléctrica de 30 MW
que funciona a partir de fuel oil es de un millón de dólares
por megawatt. Entonces el costo de una unidad de 30 MW asciende
a treinta millones de dólares, y es el mismo que el de una planta
que produce 10 MW a partir de la energía de las olas del
mar. Es decir, hoy el costo de una instalación marina de este tipo
es tres veces más costosa que por la vía convencional.

Boya de Wells y Wittaker, utilizada
en investigaciones energéticas de las olas y marejadas.
En 1977,
en la Real Universidad de Irlanda del Norte, Allan A. Wells y Wittaker
construyeron una boya que convertía la energía de las olas
en energía eléctrica utilizando convertidores neumáticos
de 45 kW de potencia. El convertidor se sujetó a una boya
de 4 m de diámetro y pese a su flotabilidad el equipo trabajó
durante un año, ya que sufrió importantes averías
a causa de una tormenta. Actualmente, existen cientos de boyas de navegación
que emplean convertidores neumáticos con potencia entre 2 y 30
W.
El ariete hidráulico, inventado por el francés Montgolfier,
también se ha utilizado para transformar la energía de las
olas. Una instalación que producía hasta 10 kW fue
construida antes de 1917 en el Mar Negro, y a causa de la guerra hoy no
se cuenta con la instalación ni con sus planos. En la isla Mauricio,
en el Océano Índico, se usa el ariete para bombear agua
a un tanque elevado y de ahí circula por una turbina hidráulica
acoplada a un generador de 18 MW. Se reportan otras instalaciones
en Noruega y en las costas de California.

Instalación denominada rectificador de Russel, que genera energía
eléctrica a partir
de un desnivel de la superficie de la ola.
Investigaciones
más avanzadas se realizaron durante 20 años, para finalmente
presentar el proyecto Limpet, como resultado de la colaboración
de las firmas Wavegen y Queen´s University Belfast y la Unión
Europea, que hizo posible se instalara una estación generadora
de electricidad de 500 kW de potencia aprovechando las olas en
la isla escocesa Islay, para brindar energía a más de 400
hogares y en el año 2000 se unificó al sistema electroenergético
del Reino Unido.
Las investigaciones acerca del comportamiento de las olas continúa
desde plataformas flotantes y desde el espacio por medio de satélites,
como el Nimbus de procedencia norteamericana, que recopila información
de más de 30 000 zonas del océano y la atmósfera.
Los institutos de investigaciones energéticas continúan
los estudios para incrementar el rendimiento de los sistemas y vencer
en cierta medida los obstáculos económicos. Mientras existan
los mares la humanidad contará con energía.
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