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.

 

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.