La energía mareomotriz no es renovable
(cs.stanford.edu)- Clasificar la generación mareomotriz como energía renovable es un malentendido y, si se extrae a gran escala, puede provocar impactos ambientales más graves que los combustibles fósiles
- Las mareas se producen por la interacción entre la gravedad de la Luna y el Sol y la rotación de la Tierra; el abultamiento de marea (tidal bulge) permanece casi fijo respecto de los cuerpos celestes y aplica un torque de frenado sobre la rotación
- Debido a este frenado se pierde energía de rotación de la Tierra y el día se alarga; en los últimos 400 millones de años, un año pasó de tener aproximadamente 420 días a 365 días
- Si apenas el 1% de la demanda energética mundial se cubriera con mareas, la Tierra podría quedar en acoplamiento de marea (tidal locking) con la Luna en unos 1,000 años
- En caso de acoplamiento de marea, un lado quedaría con luz solar permanente y temperaturas extremas, y el lado opuesto con oscuridad permanente y frío extremo, con la posibilidad de que se extinga la mayor parte de la vida (colapso del ecosistema)
Motivación (Motivation)
- A medida que aumenta la conciencia sobre el calentamiento global causado por el uso de combustibles fósiles, la energía mareomotriz recibe atención como alternativa, pero las mareas no son energía renovable
- Usar energía mareomotriz puede causar problemas ambientales más graves que el calentamiento global
- En una presentación de posgrado en 1990, se clasificó la energía mareomotriz como energía no renovable, y surgía repetidamente la pregunta: “¿cómo daña el ambiente la extracción de energía mareomotriz?”
- En 1993, cuando apareció Mosaic, el primer navegador web, se abrió un sitio web relacionado, pero algunas empresas de turbinas mareomotrices pidieron eliminar la página porque perjudicaba su negocio
- Actualmente, al buscar “tidal energy” no se encuentra esa página, y todavía hay muchas páginas que clasifican las mareas como energía renovable junto con la eólica y la solar
Recolección de energía mareomotriz (Collecting Tidal Energy)
- Las mareas son subidas y bajadas periódicas del nivel del mar observadas en la costa, y la energía mareomotriz es un tipo de energía hidráulica que las convierte principalmente en electricidad
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Principales métodos de recolección
- Se crea un embalse artificial con una presa de marea (barrage), se deja entrar agua de mar durante la marea alta y, durante la marea baja, se generan electricidad haciendo girar turbinas con la diferencia de altura del agua
- Un tidal stream generator impulsa turbinas con la energía cinética del agua en movimiento, como una turbina eólica; en estrechamientos como estrechos y bahías se producen corrientes rápidas
- Dynamic tidal power construye una presa larga desde la costa hacia el mar para generar una diferencia de nivel por el desfase de las mareas; aplica a zonas con fuertes corrientes paralelas a la costa, como China y Corea del Sur
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Centrales representativas
- La primera central mareomotriz de gran escala del mundo fue la Rance Tidal Power Station de Francia, puesta en operación en 1966
- La de mayor escala es la Sihwa Lake Tidal Power Station de Corea del Sur, inaugurada en 2011, que genera 254 megavatios
- Sin una regulación adecuada, otra crisis ambiental será inevitable
Principio de formación de las mareas (How Are Tides Formed?)
- Las mareas se producen por la combinación de la gravedad de la Luna y el Sol con la rotación de la Tierra; las fuerzas de marea actúan sobre ambos lados de la Tierra y atraen el agua de mar, formando un abultamiento de marea
- El abultamiento permanece casi inmóvil respecto de la Luna y el Sol, y, al rotar la Tierra, los observadores experimentan cambios periódicos en el nivel del mar
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Física de las fuerzas de marea
- La diferencia entre la gravedad (ley de gravitación universal de Newton) y la fuerza centrífuga debida a la órbita es la fuerza de marea (tidal force)
- En la masa interior del lado del Sol, la gravedad es mayor que la fuerza centrífuga y forma el abultamiento interior; en la masa exterior, la fuerza centrífuga es mayor y forma el abultamiento exterior
- Esto es la solar tide (marea solar), y la Luna también ejerce una fuerza de marea similar que produce la lunar tide
- Como la Luna está más cerca que el Sol, la marea lunar es mayor, y cuando la Tierra, la Luna y el Sol están alineados se produce la marea más grande, la king tide
Desaceleración de la rotación terrestre (Decelerating Earth)
- La velocidad de rotación de la Tierra disminuye gradualmente, algo que se compara con los frenos de un automóvil
- La relación de fricción entre un disco giratorio (= la Tierra en rotación) y una pastilla de freno inmóvil (= el abultamiento de marea inmóvil)
- Cuando la Tierra rota hacia el este, el abultamiento inmóvil se desplaza hacia el oeste, y la viscosidad del agua de mar genera fricción (drag) entre las corrientes y el fondo marino, lo que ralentiza la rotación
- El bloque continental del hemisferio norte afecta el movimiento del abultamiento y hace que la desaceleración sea más marcada
- La energía de rotación se disipa en forma de mareas y el número de días del año disminuyó, lo que se demuestra con coral fósil (fossil coral)
- La tidal acceleration que ejerce la Tierra sobre la Luna hace que esta se aleje y también contribuye a la desaceleración de la rotación, pero ese efecto representa solo alrededor del 4% de la pérdida total de energía
Acoplamiento de marea (Tidal Locking)
- La Luna siempre muestra la misma cara hacia la Tierra, y eso es el tidal locking causado por los efectos de marea
- La fuerza de marea que la Tierra ejerce sobre la Luna genera abultamientos sólidos incluso en la superficie lunar sin agua, estirando la Luna hasta darle una forma parecida a un balón de fútbol americano (solid tide)
- Este efecto redujo la rotación de la Luna a una vez por período orbital, fijando un extremo siempre orientado hacia la Tierra
- La Tierra también se desacelera gradualmente y finalmente quedará fijada a la Luna; ambas rotarán enfrentadas alrededor de un centro de masa común como un binary system (sistema binario)
Energía de rotación (Rotational Energy)
- Los cuerpos en rotación también tienen momento angular y energía de rotación, y la energía total de rotación de la Tierra es de aproximadamente 2.138×10²⁹ Joules
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Método de estimación
- La fórmula del momento de inercia de una esfera uniforme da 9.696×10³⁷ kgm², pero como el interior de la Tierra es más pesado que el exterior, el valor real es menor
- El momento de inercia más preciso de la Tierra es 8.04×10³⁷ kgm²
- Aplicando un período de rotación de 23.93 horas (velocidad angular de 7.29×10⁻⁵ rad/s), se obtiene una energía total de rotación de 2.138×10²⁹ J
Tiempo restante (How Much Time Left)
- Como en un freno, la energía de rotación de la Tierra también se convierte en calor y se disipa por las mareas y la fricción con el fondo marino; al ser finita, finalmente se agotará
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Evidencia de coral fósil
- En el Silúrico (hace 444–419 millones de años), un año tenía 420 días; en el Devónico medio, 410 días; y a principios del Carbonífero (hace 350 millones de años), 385 días
- Como no hay evidencia de cambios en la masa ni en la órbita de la Tierra durante los últimos 400 millones de años, la reducción del número de días se debe principalmente a la disminución de la velocidad de rotación
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Tiempo hasta el acoplamiento natural
- Desde una energía de rotación de 2.83×10²⁹ J hace 430 millones de años hasta hoy, se perdieron 6.92×10²⁸ J (promedio anual de 1.73×10²⁰ J)
- Como la fricción es proporcional al cuadrado de la velocidad del movimiento relativo, se necesita un cálculo preciso que considere la desaceleración
- Con base en la tasa histórica de disipación, se estima que el acoplamiento de marea natural con la Luna tardaría alrededor de 10,468 millones de años
Destruir la Tierra en 1,000 años (Destroy Earth in 1,000 Years)
- Extraer energía mareomotriz acelera la desaceleración; si apenas el 1% del consumo energético mundial se cubriera con mareas, la Tierra quedaría fijada a la Luna en unos 1,000 años
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Base del cálculo
- En 2013, el consumo energético mundial fue de aproximadamente 5.67×10²⁰ J y durante los últimos 50 años creció más de 2% anual; el crecimiento de la economía mundial es de alrededor de 3%
- Al cubrir el 1%, la energía de rotación de la Tierra disminuiría 5.67×10¹⁸ J por año
- Al resolver N para que la energía total se reduzca hasta el valor del momento de acoplamiento (2.32×10²⁶ J), se obtiene alrededor de 1031 años
- Es una estimación muy aproximada, pero muestra cuán rápido podría ser el ritmo de desaceleración de la rotación
Final (In The End)
- El resultado de la fricción de marea es la desaparición de la rotación terrestre; la Tierra y la Luna se convertirán en un sistema binario que gira alrededor de su centro de masa una vez al mes, de modo que un día será igual a un mes
- La Luna se aleja 38.247 mm por año debido a la aceleración de marea, aumentando el momento de inercia del sistema Tierra-Luna y ralentizando la rotación, por lo que un año tendrá menos de 12 meses
- Después del acoplamiento, el día será más de 30 veces más largo que el actual; un lado tendrá calor extremo y el otro frío extremo, y los grandes gradientes de presión provocarán corrientes marinas intensas y tormentas gigantes, haciendo difícil la supervivencia de la mayor parte de la vida
Predicciones (Predictions)
- Una predicción derivada de esta comprensión es la inner core super-rotation, en la que el núcleo interno de la Tierra rota más rápido que el conjunto del planeta
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Evidencia de ondas sísmicas
- Durante un sismo se propagan ondas P (movimiento en la dirección de avance) y ondas S (movimiento transversal perpendicular); las ondas S requieren esfuerzo cortante, por lo que no pueden atravesar líquidos
- Como las ondas S no atraviesan el núcleo externo, se infiere que el núcleo externo es líquido
- El núcleo externo líquido desacopla (decoupling) la rotación del núcleo interno y el manto; cuando el manto es arrastrado por las mareas, el núcleo interno no se desacelera al mismo ritmo y rota más rápido
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Evidencia observacional
- Xiaodong Song y Paul Richards, del Lamont–Doherty Earth Observatory, presentaron evidencia sismológica de una superrotación de 0.4 a 1.8 grados por año
- Otros estudios estiman la superrotación en 3 grados por año
Conclusiones (Conclusions)
- El consumo de energía mareomotriz puede implicar un riesgo mayor que la quema de combustibles fósiles, mientras la demanda energética sigue aumentando con la expansión de máquinas e infraestructura de alta eficiencia
- Si las mareas cubren esa demanda, existe la posibilidad de un agotamiento de la energía de rotación de la Tierra en unos 1,000 años, mucho más rápido que la disipación natural
- Así como hace un siglo pocos creían que los combustibles fósiles causarían calentamiento, hoy muchas personas desconocen el riesgo y confunden las mareas con un recurso renovable
- Para proteger la Tierra, hay que evitar la extracción de energía mareomotriz y ganar tiempo para que las generaciones futuras desarrollen soluciones sostenibles (necesidad de evitar la extracción mareomotriz)
1 comentarios
Opiniones de Hacker News
La suposición más importante de este artículo es que el consumo de energía aumenta 2% cada año. Ese crecimiento exponencial lleva la escala de energía mareomotriz que la sociedad demandaría a niveles absurdos.
El consumo de energía ya ha mostrado una tendencia a desacoplarse del crecimiento poblacional o económico. ¿Cuánta energía usaremos dentro de 1,000 años? La mayoría de las proyecciones de población prevén una estabilización en alrededor de 15,000 millones de personas, pero si asumimos de forma optimista que la tasa de crecimiento actual continúa, dentro de 1,000 años habría unos 150 billones de personas.
Y con una tasa de crecimiento de 2%, cada una de esas personas consumiría 20,000 veces más energía que un ser humano alrededor de 2023. Incluso la tecnología más moderna desperdicia cerca del 80% de la energía que consume, así que eso implicaría un consumo de energía útil per cápita 100,000 veces mayor.
Por eso, la física de esta página parece una buena revisión de lo sorprendentemente grandes que pueden volverse los efectos compuestos del crecimiento exponencial sin control.
Según el artículo, la energía mareomotriz se disipa por la fricción entre el agua de mar y el fondo marino, y esa energía disipada sale de la energía rotacional de la Tierra. Además, parte de la energía rotacional se transfiere a la Luna, haciendo que se aleje más. Hasta ahí, todo bien.
La segunda suposición del autor es que, si usamos la energía mareomotriz, esa misma cantidad es energía adicional que se extrae de la rotación terrestre. ¿Pero realmente es así? La energía mareomotriz extraída por los humanos podría provenir de algún “presupuesto” fijo, y solo el resto disiparse de forma natural. Es decir, cuanto más extraigan y usen los humanos, menos energía mareomotriz se disiparía por la fricción entre el agua de mar y el fondo marino.
Es parecido a la energía que recibimos del Sol. Es enorme, pero salvo variaciones, es una cantidad fija, y nosotros solo podemos aprovechar una parte de ese potencial; no aumenta la cantidad total disponible. La parte que los humanos no usan es absorbida por otros procesos naturales o irradiada.
No me atrevería a especular cuál de las dos opciones es la correcta, pero sería interesante averiguar qué modelo encaja mejor.
https://dothemath.ucsd.edu/2012/04/economist-meets-physicist...
La premisa de que el crecimiento económico de largo plazo continúa a una tasa constante está incorporada en gran parte de la economía ortodoxa y de la política económica actuales. Incluso figuras aparentemente heterodoxas como Thomas Piketty asumen en El capital en el siglo XXI que el crecimiento continuará indefinidamente.
Así que esto no es tanto una crítica a Liu, sino más bien una crítica a los objetivos a los que Liu apunta en general.
Una humanidad expandida por el espacio quizá podría usar esa cantidad de potencia, pero si vive en el espacio, ya no forma parte de la biosfera terrestre.
No sé si el autor era consciente de esto, pero en realidad no está hablando de la sostenibilidad de la energía mareomotriz, sino de lo disparatada que es la suposición del crecimiento exponencial. Queda claro si uno mira qué implica la tasa de crecimiento del 2% asumida en el texto.
En 2008, el consumo mundial de energía se estimaba en 474 exajulios. La energía total que la Tierra recibe del Sol en un año es de unos 5 millones de exajulios, y solo una parte de eso llega a la superficie. 5 millones es muchísimo más que 474. Pero incluso si se mantiene una tasa de crecimiento aparentemente modesta del 2% anual, como entre 1980 y 2006, en menos de 500 años el consumo de energía igualaría esos 5 millones de exajulios.
Si lo pensamos, si el aumento del consumo de energía continúa al ritmo actual, dentro de 500 años tendríamos que estar usando toda la energía solar que recibe la Tierra —es decir, sin dejar nada para la biosfera—, o haber encontrado alguna tecnología mágica que produzca 5 millones de exajulios al año. Incluso si existiera esa tecnología mágica, ¿dónde tiraríamos ese calor adicional? En la práctica sería como poner un segundo Sol sobre la Tierra y cocinarnos.
Los números de arriba están copiados de un texto escrito en 2010, así que podrían estar algo desactualizados. Pero Sabine Hossenfelder también hizo hace poco un video sobre una escala temporal parecida, es decir, el problema de que los océanos hiervan en 400 años: https://www.youtube.com/watch?v=9vRtA7STvH4
Quizá, dentro de unos cientos de años, arqueólogos de Internet encuentren este comentario como uno de los primeros indicios de la inminente crisis energética mundial, igual que hoy vemos el breve artículo “Coal Consumption Affecting Climate” del Rodney & Otamatea Times de 1912[0].
Y luego encontrarán también este comentario…
[0] https://paperspast.natlib.govt.nz/newspapers/rodney-and-otam...
Se proyecta que la población mundial alcance un pico alrededor de un 30% por encima del nivel actual y luego vuelva a disminuir. Tal vez se sostenga en unos 7.000 millones de personas. Parece que para vivir realmente bien se necesitan unos 200 GJ por persona[1], así que supongamos 300 GJ por persona.
Incluso a un nivel sostenible, podríamos vivir felices con 2.000 EJ al año. Según las cifras anteriores, eso es menos del 1% de la energía que proporciona el Sol.
[1] https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ecs2...
Estoy tratando de decidir si eso es mucho o no. Por un lado, no necesariamente puede decirse que sea mucho. Esta proporción no tiene un límite superior estricto, y la energía metabólica humana es un denominador arbitrario. Aun así, interpretándolo de manera muy aproximada, podríamos decir que en promedio consumimos cada día el producto del trabajo de 15 personas.
Por supuesto, la distribución está muy sesgada. Para el estadounidense o europeo promedio, la proporción probablemente sea mucho mayor.
También muestra lo dorada que es nuestra vida en promedio. Antes de la Revolución Industrial, casi toda la energía era fuerza muscular, y esto se parece a tener 15 sirvientes haciendo girar generadores por cada persona viva. Parte de ese número podrían ser proveedores de servicios reales que viven de alimentos producidos por agricultura motorizada.
¿Hay un límite lógico para este número? Si el suministro fuera suficiente, ¿hay alguna cantidad de energía que no pudiéramos usar? Al final, toda la energía que producimos se usa para los humanos, así que el consumo de energía también podría verse como una medida de las necesidades energéticas humanas.
Pero eso tampoco es del todo correcto. Se desperdicia mucha energía. Me pregunto qué parte de este número se debe a ropa que va directo de la fábrica al relleno sanitario, aire acondicionado encendido toda la noche, motores ineficientes y almacenamiento de energía.
No tengo una conclusión en particular, pero me parece una proporción interesante.
http://insideenergy.org/wp-content/uploads//2017/01/historic...
Fuente:
https://insideenergy.org/2017/01/12/energy-explained/
Hay una pista importante en la frase “la tasa de crecimiento del 2% del consumo mundial de energía debería ser una suposición conservadora”. Este texto asume que el consumo de energía seguirá creciendo exponencialmente para llegar al cronograma de agotar la energía rotacional de la Tierra en 1000 años.
Lo llamativo es la suposición de un crecimiento exponencial ilimitado del 2% anual. Es un error enorme. Haciendo una comprobación rápida, 1.02^1031 = 735,829,316. Estoy convencido de que, como habrá más población y queremos que mejore el nivel de vida de todos, vamos a usar mucha más energía que ahora. Pero aun así esto es demasiado. A esa escala, ni siquiera tengo claro a dónde tendría que ir toda esa energía. ¿A crear masa u objetos?
Incluso si el consumo de energía alcanzara su pico dentro de apenas 250 años, sería menos de 150 veces el consumo actual. No hice el cálculo, pero me atrevería a decir que en ese caso este planeta nos daría algunos años más.
En 2017 el mundo usó 9,717 millones de toneladas equivalentes de petróleo. Si aplicamos esa tasa de crecimiento, eso significa que en el año 986 el mundo entero usó el equivalente a 13 toneladas de petróleo, es decir 515.84 millones de BTU.
En Estados Unidos, un hogar con ingresos anuales de menos de 20,000 dólares y que usa madera como combustible principal de calefacción consume 50 millones de BTU de madera al año.
Se pueden discutir los números en detalle, pero que un mundo con 390 millones de habitantes haya usado solo el combustible de unas 10 casas parece un poco bajo.
¿De todos modos las mareas no disipan naturalmente una buena parte de esa energía? Por ejemplo, cuando ves las olas en la playa golpeando la costa, eso es energía mareomotriz disipándose como calor. Si pones una turbina en medio y extraes trabajo útil antes de que se convierta en calor, ¿no termina de todos modos convirtiéndose en calor al final?
Los generadores mareomotrices actuales funcionan poniendo turbinas en el agua que fluye, o mediante represas que retienen la pleamar y luego liberan el agua durante la bajamar a través de turbinas. Según el diseño específico, después podrían reducir la velocidad de las corrientes que fluyen sobre el lecho marino, reduciendo la energía disipada por fricción con el fondo. Pero no hay garantía de que esa reducción compense la energía que se llevó el generador mareomotriz.
También se pueden imaginar otras formas de generación mareomotriz. Por ejemplo, cubrir todo el fondo marino con una cinta de correr gigante. El agua pasaría arrastrando la superficie de la cinta y con eso se generaría electricidad. Probablemente la energía total disipada sería menor que con la fricción natural del lecho marino, pero no suena muy práctico.
En cualquier caso, todo esto se aparta del punto central. Como dijeron otros comentarios, si el consumo energético humano de verdad creciera un 2% anual durante 1000 años, tendríamos problemas mucho más grandes que quedar bloqueados por marea con la Luna.
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_acceleration#Angular_mom...
Entonces, si bombeamos agua hacia arriba para amplificar las mareas, podríamos acelerar la rotación de la Tierra y eliminar los segundos intercalares.
Esto es el mismo viejo error de “mi hijo medía 2 pies el año pasado y 3 pies este año, así que cuando sea adulto será tan grande como una casa”.
“Según la tasa promedio de aumento del consumo energético mundial durante los últimos 50 años, si extrajéramos solo el 1% del consumo energético mundial de la energía de rotación de la Tierra, la rotación terrestre quedaría bloqueada por marea con la Luna en unos 1000 años”.
Esto no tiene sentido. Cerré la página ahí mismo. Viendo otras partes de este hilo, parece que llegaron a ese resultado extrapolando durante 1000 años una curva de crecimiento exponencial que pasa por el valor atípico de la Revolución Industrial. Eso podría explicarlo.
Pero esto no es un simple error: es completamente insane.
Buscando por encima, parece razonable que la energía cinética de rotación de la Tierra sea 2.1e29 J, y el consumo energético mundial, 22.8 TWh al año. Así que, con un cálculo de servilleta, al consumo actual apenas quedarían… un poco más de 2 billones de años.
Muchos comentarios aquí señalan que la suposición de que el consumo de energía aumenta un 2% anual es absurda.
Entonces, de forma más razonable, ¿qué pasaría si asumimos que el uso anual de energía se estabiliza en 5 veces el nivel actual y, de forma poco razonable, que el 100% de esa energía proviene de las mareas?
¿Cuánto se desaceleraría la rotación dentro de 1000 años?
Dicho de otro modo, después de 1000 años la desaceleración de la rotación sería de alrededor de 0.001%.
Relacionado: https://physics.stackexchange.com/questions/6400/are-tidal-p...
Esta teoría es muy interesante, pero el autor la presenta con demasiada seguridad para una afirmación tan grande.
Por alguna razón mi teléfono tiene ², pero no ^9. El primer número significa 1e29.