HIDROSTATICA E HIDRODINAMICA
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
En conclusión mientras existan los mares la humanidad contará con energía y la seguirá estudiando para sacar el mayor provecho.