Afloramiento artificial producido con energía eólica con aplicación a la maricultura

Abstract

Offshore wind is proposed as an energy source to upwell nutrient-rich deep water to the ocean photic layers. A spar-buoy wind turbine with a rigid tube about 300 m long is proposed as a pipe to drive deep water up to the surface. The minimum energy required to uplift the water is the potential energy difference between surface waters inside and outside the pipe, which depends on the background density profile. The corresponding surface jump or hydraulic head, h, calculated for several analytical and experimental density profiles, is of the order of 10 cm. If the complete turbine power (of the order of several MW) is used for raising the water (assuming a 100% pump efficiency), in a frictionless flow, very large water volumes, of the order of thousands of m3 s-1, will be transported to the photic layers. In a more realistic case, taking into account pipe friction in wide pipes, of the order of 10 m radius, and a power delivered to the fluid of 1 MW, the volume transport is still very large, about 500 m3 s-1. However, such a large amount of dense water could sink fast to aphotic layers due to vertical static instability (the fountain effect), ruining the enhancement of primary production. Hence, some ways to increase the turbulent entrainment and avoid the fountain effect are proposed. From the energetic viewpoint, artificial upwelling using offshore wind energy is a promising way to fertilize large open sea regions. This mariculture application is, however, severely subjected to atmosphere and ocean climatology, as well as to ecological dynamics. The general problem is multidisciplinary, and some important physical, engineering and ecological questions need to be seriously addressed to improve our confidence in the approach presented here.Analizamos el uso de la energía eólica marina como fuente de energía para aflorar aguas profundas ricas en nutrientes a las capas fóticas del océano. Una turbina de viento tipo boya-pértiga, con un tubo rígido de unos 300 m de largo, se propone para transportar las aguas profundas hasta la superficie. La energía mínima necesaria para elevar el agua es la diferencia de energa potencial entre las aguas superficiales dentro y fuera de la tubería, que depende del perfil de densidad de fondo. El salto superficial de agua, o cabezal hidráulico h, calculado para varios perfiles analíticos y experimentales de densidad, resulta ser del orden de 10 cm. Si la potencia total de la turbina (del orden de varios MW) se utiliza para elevar el agua (suponiendo una eficiencia de la bomba del 100%), en un flujo sin fricción, el transporte de volumen de agua transportado a las capas fóticas es muy elevado, del orden de miles de m3 s-1. En un caso más realista, teniendo en cuenta la fricción en tuberías de un ancho del orden de 10 m radio, y una potencia proporcionada al fluido de 1 MW, el transporte volumen sigue siendo muy grande, de alrededor de 500 m3 s-1. Sin embargo, una cantidad tan grande de agua densa podría hundirse rápidamente a las capas afóticas debido a la inestabilidad estática vertical (efecto fuente) arruinando la mejora de la producción primaria. Por lo tanto se proponen algunas maneras de aumentar el arrastre turbulento y evitar el efecto fuente. Desde el punto de vista energético, el afloramiento artificial utilizando energía eólica marina parece una manera prometedora de fertilización de grandes regiones del mar abierto. Esta aplicación de maricultura, sin embargo, depende severamente de la climatología atmosférica y océanica, así como de la dinámica ecológica. El problema global es multidisciplinar, y algunos aspectos importantes de física, ingeniería, y ecología tienen que ser mejor estudiados para poder aumentar nuestra confianza en el método aquí presentado