El recurso energético marino

¿Sabéis cuáles son los principales recursos energéticos marinos? ¿Qué son las mareas y por qué suceden?, ¿cuáles son los tipos de olas?, todas estas respuestas y muchas más en este extracto del módulo II del curso online “Energías marinas”.

El segundo módulo trata sobre la caracterización del recurso en el océano. Estudiaremos distintas fuentes de energía, tales como las mareas, las corrientes, las olas, el calor, y la salinidad. Esta sección se estructura siguiendo el recurso energético en el océano. Como discutimos en el primer módulo, del océano se puede obtener energía térmica de las diferencias de temperatura entre la superficie del agua y las aguas más profundas, y energía mecánica. Este último tipo de energía se puede categorizar en energía potencial o cinética. Estas se pueden obtener de las mareas, las corrientes, o las olas. 

Las mareas son provocadas por la interacción gravitatoria entre la Tierra, la Luna y el Sol. Las corrientes oceánicas son más complejas, a menudo provocadas por el calentamiento del Sol y el viento en aguas cerca del Ecuador, así como las mareas, la salinidad, y la densidad del agua. Las olas se forman gracias a la acción del viento.

  1. Mareas

La interacción entre el Sol, la Luna y nuestro planeta causa el fenómeno de las mareas. La subida y bajada de las mareas se genera por fuerzas gravitacionales y centrífugas. Las fuerzas gravitacionales mantienen cada planeta en su posición relativa con los demás planetas, causando la atracción de los diferentes cuerpos, mientras que las fuerzas centrífugas actúan en dirección opuesta, separando los planetas. Ambas fuerzas, gravitacionales y centrífugas, actúan juntas en equilibrio, causando los llamados bultos de marea observados en la Figura 1.

Figura 1: Interacción entre la Luna, y la Tierra creando bultos de marea [1].

Cuando añadimos la interacción con el Sol, tenemos diferentes ciclos de marea. Cuando el Sol y la Luna están en fase (en otras palabras, están en línea con la Tierra) tenemos las llamadas “Mareas Vivas”, u oscilaciones de marea de mayor amplitud. Cuando el Sol y la Luna están en ángulo recto respecto a la Tierra, su efecto se contrarresta, causando mareas de baja magnitud, o “Mareas Muertas”, Figura 2.

Figura 2: Ciclos de marea [2].

La distancia también juega un papel muy importante en el desarrollo de las mareas. Basándonos en la Ley de Newton, la fuerza gravitacional es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre dos cuerpos. Por esta razón, aunque la Luna es mucho más pequeña que el Sol, como está más cerca de la Tierra, su efecto es más relevante.

La fuerza de atracción de la Luna causa el bulto de marea en el lado de la Tierra que está más cerca de la Luna. La fuerza centrífuga produce el mismo efecto en el lado opuesto debido a la dirección de rotación de nuestro planeta. Estos fenómenos producen la creación de dos bultos de marea, uno con máxima amplitud (mareas altas), y otro con mínima amplitud (mareas bajas), Figura 1. Conforme la Tierra rota, estos dos bultos viajan a la misma velocidad que la rotación de la Tierra.

La Luna rota alrededor de la Tierra aproximadamente cada 29.5 días en la misma dirección en la que la Tierra rota cada 24 horas [3]. La rotación de la Luna sobre su eje toma unas 24 horas y 50 minutos. Esta es la razón por la que las mareas avanzan aproximadamente 50 minutos al día. 

 

El efecto del Sol también se nota en la Tierra debido al efecto gravitacional. Dos veces al mes, cuando los tres planetas están alineados (Luna llena y Luna nueva), las fuerzas del Sol y de la Luna se combinan, produciendo carreras de marea más grandes de lo normal. Normalmente, las Mareas Vivas son dos veces más amplias que las Mareas Muertas.

Figura 3: Mareas Vivas y Muertas.

Hay tres tipos diferentes de mareas: diurnas, semidiurnas y mixtas.

Las mareas diurnas ocurren diariamente. Presentan una sola cresta y un seno durante el periodo de un día lunar (24 horas y 50 minutos). Normalmente se pueden observar en México, el Sudeste Asiático y Corea.

Las mareas semidiurnas ocurren dos veces al día. Presentan dos crestas y dos senos a lo largo de un día lunar. Su periodo es de 12 horas y 25 minutos. Suelen observarse en las costas del Atlántico norte.

Las mareas mixtas presentan dos crestas y dos picos asimétricos, y su periodo es de 12 horas y 25 minutos. Se observan en el Pacífico.

La carrera de marea también se puede caracterizar dependiendo de su rango. 

 

  • Micromareal: menos de 2 metros de carrera de marea.
  • Mesomareal: rango entre 2m y 4m.
  • Macromareal: rango de más de 4m.

 

  1. Corrientes oceánicas

Las corrientes oceánicas ocurren por el calor y el viento cerca del Ecuador, pero también debido a las mareas y a los cambios en salinidad y densidad del agua. Las corrientes se pueden categorizar como:

  • Corrientes marinas. Estas son bastante constantes y siempre van en la misma dirección.
  • Corrientes de marea. Estas ocurren cerca de la línea de costa, y normalmente fluyen en dos direcciones.

Figura 4: Corrientes oceánicas en el mundo [4].

Las corrientes son muy similares a los vientos, ambos son cuerpos que fluyen, y su energía se puede calcular usando la ecuación de la energía cinética:

Donde ? es la densidad del agua, y ? es la velocidad del flujo. La velocidad del agua es generalmente menos que la del aire, pero como la densidad del agua es unas 1000 veces mayor que la del aire, la energía disponible en las corrientes es considerable. Además, las Corrientes se pueden predecir con anticipación, ya que dependen del movimiento constante de los planetas, lo cual hace este tipo de energía muy fiable.

  1. Olas

Las olas son provocadas por muchos fenómenos distintos en el océano. Las fuerzas gravitacionales entre planetas, como en el caso de las mareas, juegan un papel también en la creación de las olas. El viento es el principal agente, pero los movimientos geológicos también son relevantes. El viento en el océano está directamente relacionado con la energía solar. El Sol calienta la superficie del mar, causando la estratificación del aire, creando zonas con diferentes presiones. Esta diferencia de presión provoca el movimiento del aire para encontrar el equilibrio, generando viento. El viento sopla sobre la superficie del océano, y la fricción entre el aire y el agua forma olas. Por tanto, cuanto más alta sea la velocidad del viento, mas grandes las olas, como respuesta a la fuerza del aire ejercida sobre la superficie del agua a través de la fricción.

El tamaño de las olas depende de tres factores:

  • La fuerza del viento.
  • La duración del viento soplando sobre el océano.
  • La distancia sobre la superficie del océano en la que sopla el viento (también llamado fetch).

Las olas se pueden categorizar por su altura de ola (H) y su periodo (T). Otras características, tales como la longitud de onda (L) se pueden obtener a partir de las anteriores.

Las olas pueden ser definidas idealmente como sinusoides, por tanto las principales características se pueden definir a partir de la Figura 5.

Figura 5: Ola ideal.

  • Altura de ola (H) es la elevación vertical de la cresta sobre su seno. 
  • Periodo de ola (T) es el intervalo medio de tiempo que toman el paso de dos crestas consecutivas por el mismo punto en el espacio.
  • Longitud de onda (L) es la distancia horizontal entre dos crestas.

Las olas cambian dependiendo de su localización. Esto es debido a los distintos factores geográficos, pero también es debido a la duración del viento, el fetch y las estaciones del año. Por ejemplo, las olas en invierno son normalmente más grandes que en verano en el hemisferio norte, ya que le viento sopla más prominentemente durante este periodo debido a los fenómenos meteorológicos del invierno.

Las olas en el océano pueden clasificarse como:

  • Mar de viento. Estas olas se generan por la acción del viento en la zona donde el viento sopla. El fetch es limitado.
  • Mar de fondo. Estas son causadas por tormentas lejos de la zona donde la ola está en el momento actual, y viajan grandes distancias, sufriendo atenuaciones conforme de aproximan a la costa.

Las olas sufren cambios conforme se acerca a la costa. Estos cambios son causados por distintos fenómenos: refracción, difracción, reflexión, asomeramiento y rotura.

Un ejemplo de refracción sería el acercamiento de las olas a una costa recta con cierto ángulo. La parte de la ola que está más cerca de la costa viaja más lenta que la ola en aguas profundas, debido al efecto de la profundidad del agua. La sección de la ola más cercana a aguas profundas viaja más rápido, cambiado el ángulo del frente de ola conforme se aproxima a la costa. El periodo de la ola no cambia, pero la longitud de onda y la altura de ola cambian. Este fenómeno causa una distribución de energía desigual en la costa, dependiendo de su forma, 

Figura 6: Refracción de una ola en la costa [5].

La difracción ocurre cuando el tren de olas encuentra una barrera. Las olas interactúan con esta barrera “doblándose” sobre ella, Figura 7. Esto causa la transferencia de energía desde los puntos de concentración de energía a puntos de baja concentración de energía.

Figura 7: Difracción de la ola.

La reflexión de las olas es causada por la presencia de paredes verticales o semi-verticales. Cuando las olas se encuentran con la pared, esta es reflejada con el mismo ángulo que incide. En una reflexión perfecta, la altura de la ola se dobla. La reflexión no causa efectos significativos en la energía de la ola. 

El asomeramiento ocurre cuando las olas entran una zona de aguas poco profundas, incrementando la altura de ola, y provocando la disminución de la velocidad y longitud de onda.

La rotura ocurre cuando la profundidad del agua y la altura de ola son similares. Hay diferentes tipos de formas cuando una ola rompe, dependiendo de la pendiente del fondo del mar, y de la altura de ola y periodo.

Figura 8: Tipos de rotura de las olas [6].

  1. El calor y el océano

La energía térmica forma parte de las diferencias de temperaturas entre la superficie del océano y las aguas profundas. La conversión de energía térmica oceánica (OTEC por sus siglas en inglés), está en desarrollo. Convierte la diferencia de temperatura entre aguas superficiales y aguas profundas en energía. La temperatura mínima del agua para que OTEC pueda operar satisfactoriamente es 20 grados Celsius. Este recurso se concentra en ciertas áreas en el mundo, principalmente alrededor del Ecuador y las regiones tropicales.

La gran ventaja de OTEC es que es relativamente constante a lo largo del día y a lo largo del año. Los principales componentes de una planta OTEC son evaporador, condensador, turbina, generador, y bomba. Estos componentes están conectados por tuberías. Hay dos tipos de plantas OTEC: de ciclo abierto y de ciclo cerrado. En las plantas de ciclo abierto, el agua de mar se usa como fluido de trabajo, mientras que, en las plantas de ciclo cerrado, los fluidos de trabajo son el agua de mar y otra sustancia, tal como el amoniaco. 

 

Figura 9: Esquema de una planta OTEC de ciclo abierto.

Figura 10: Esquema de una planta OTEC de ciclo cerrado.

Las plantas OTEC pueden ser clasificadas dependiendo de su localización: en tierra firme, en plataformas (tales como las de los astilleros), o flotantes (para usos off-shore).

  1. Salinidad

Este tipo de recurso se basa en la energía disipada cuando dos soluciones con diferente salinidad se mezclan. Una de las dificultades de este tipo de energía es que depende de un complejo proceso de mezcla. Por ejemplo, cuando el agua fresca de un río encuentra el agua salada del océano, la diferencia de concentraciones crea un potencial energético que es equivalente al del agua que libera una presa de entre 140 y 240 metros de altura (dependiendo de las concentraciones), [8]. 

Se han considerado múltiples tecnologías para el uso de la energía de gradiente salino. La más popular son la osmosis de presión retardada, y la electrodiálisis inversa. La primera trata de membranas semi-permeables que permiten que e agua pase a través de ellas, pero no la sal. El agua fluye desde la solución diluida a la solución concentrada hasta encontrar el equilibrio de concentraciones. Este movimiento de agua se puede usar para mover turbinas. El segundo procedimiento, la electrodiálisis inversa, se basa en el uso de membranas de intercambio de iones. En este tipo de membranas solo los iones cargados positiva, o negativamente pueden pasar. Esto crea un potencial electroquímico que puede ser usado para generar electricidad.

Figura 11: Ejemplo de esquema de trabajo de una planta de gradiente salino [9].

Este tipo de energía oceánica es la menos avanzada de los cinco tipos que han sido resumidos en este capítulo, ya que hay distintos retos técnicos presentes, tales como el uso de membranas e impurezas en agua de mar, o problemas medioambientales relativos a las concentraciones de sal.

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