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Esta nueva tecnología genera electricidad cuando el agua dulce se encuentra con el agua salada


Los investigadores de Penn State anunciaron recientemente un nuevo sistema híbrido de energía renovable que genera una cantidad sin precedentes de electricidad a partir de la diferencia entre agua dulce y salada.

Región donde el agua dulce y el agua salada se encuentran en el Estrecho de Georgia.[Fuente de imagen:Stephengg a través de Flickr]

El nuevo sistema da lugar a un sistema factible que aprovecha la energía de donde el agua dulce y el agua salada se encuentran en las regiones costeras.

Generación de electricidad a partir de diferencias de salinidad

Los científicos están en constante evolución de tecnologías renovables que continúan impulsando el futuro. Aunque generalmente se reconoce que los tipos más comunes de producción de energía renovable son la solar, la eólica, la hidráulica o la mareomotriz, también existe otro método un poco menos conocido. En cuerpos de agua con diferentes concentraciones de sal, existe una fuente de energía prácticamente sin explotar.

Cuando dos cuerpos de agua se encuentran con dos niveles diferentes de salinidad (es decir, agua salada y agua dulce), las fuerzas de la naturaleza intentan igualar la concentración de sal. Los iones de sal fluirán desde el área de alta concentración a áreas de menor concentración a medida que el agua se mezcla continuamente. Finalmente, el gradiente se iguala y la concentración permanece idéntica.

Aunque, los efectos son bastante mundanos cuando dos cuerpos de agua pueden intercambiar libremente iones de sal.

Sin embargo, la introducción de una membrana semipermeable que actúe como barrera entre los dos cuerpos de agua puede aumentar el efecto. Permitir el paso del flujo de agua mientras se restringe el paso de iones de sal más grandes da como resultado la acumulación de un tipo único de presión, formalmente conocida comopresión osmótica.

Con la barrera en su lugar, el agua del lado de agua dulce intenta igualar las concentraciones de sal en la otra porción. Sin embargo, dado que la sal no puede atravesar la barrera, permanece en el mismo cuerpo.

Incluso cuando la sal permanece en su lugar, el agua dulce continuará fluyendo hacia el cuerpo de agua salada haciendo que la porción de agua salada suba.

Ejemplo de ósmosis entre dos cuerpos de agua con concentraciones variables de azúcar. Los niveles de líquido aumentan en un lado con la adición de azúcar a medida que el agua dulce intenta igualar (similar a la sal). [Fuente de imagen: Wikimedia Commons]

Poder osmótico: una fuente de energía renovable sin explotar

En todo el mundo, hay muchas regiones costeras donde el agua dulce desemboca en el mar. Según Penn State University,

"Esa diferencia en la concentración de sal tiene el potencial de generar suficiente energía para alcanzar 40 por ciento de la demanda mundial de electricidad ".

Poder osmótico es la energía disponible entre dos cuerpos de agua con diferentes concentraciones de sal. También resulta ser una de las fuentes de energía sin explotar más importantes del mundo. Cualquier lugar donde el agua dulce se encuentre con el agua salada tiene el potencial de generar casi la mitad de la demanda mundial de energía.

Sin embargo, los investigadores se enfrentan al desafío de encontrar un medio eficiente de aprovechar su poder.

Actualmente, existen dos métodos destacados para aprovechar la energía del agua salada, incluida la inversiónelectrodiálisis (Rojo yósmosis retardada por presión (PRO).

Los sistemas PRO dependen específicamente del flujo de agua dulce a agua salada a través de una membrana. El método consiste en bombear agua dulce y salada a una gran membrana semipermeable. lossistema de membrana de ósmosis directa solo permite el intercambio de agua desde el lado fresco hacia el flujo del agua salada. Como resultado, aumenta la presión del agua salada. Un generador de turbina puede aprovechar la energía del agua presurizada y convertirla en electricidad.

Generación de energía por ósmosis retardada por presión (PRO).[Fuente de imagen: Wikipedia]

Electrodiálisis inversa

El segundo método común de extraer energía de los gradientes de sal se conoce como electrodiálisis inversa (RED). En esencia, RED funciona como una batería de sal.

Por lo general, los sistemas RED funcionan bombeando agua salada a un sistema que tiene dos intercambiadores de iones separados. Uno permite que fluya sodio positivo y el otro solo permite el paso de cloro cargado negativamente. Dado que la sal está compuesta de cloro y sodio, es abundante en los océanos.

Diagrama de electrodiálisis inversa.[Fuente de imagen: Endy Nugroho a través de SlideShare]

Alternando entre los conjuntos de filtros hay un flujo de agua que crea la diferencia en las concentraciones obligando a los aniones y cationes a fluir a través de la membrana. La diferencia de carga genera un voltaje entre las dos placas que se puede transformar en electricidad cambiando el flujo a una concentración más baja de sal.

Desafortunadamente, ambos métodos adolecen de graves inconvenientes.

Los problemas que enfrenta la actual generación de energía osmótica

Los sistemas PRO se basan en una red de orificios increíblemente pequeños que forman la membrana. Sin embargo, las partículas (orgánicas e inorgánicas) alojan fácilmente las pequeñas aberturas. Con todas las partículas en el océano, es difícil implementar un sistema PRO a gran escala. Además, los sistemas PRO no pueden resistir las fuerzas de las aguas supersalinas.

Diseñar una planta comercial es costoso y en gran medida ineficiente con la tecnología actual.

“PRO es hasta ahora la mejor tecnología en términos de cuánta energía puede sacar”, explica Gorski. “Pero el principal problema con PRO es que las membranas que transportan el agua a través de ellas se ensucian, lo que significa que las bacterias crecen en ellas o las partículas se atascan en sus superficies y ya no transportan agua a través de ellas”.

Con las tecnologías RED, solo la sal disuelta fluye a través de la membrana de intercambio iónico, no el agua. El sistema es más eficaz para evitar que la membrana se ensucie. Sin embargo, el sistema carece de la capacidad de producir cantidades sustanciales de energía.

Soluciones híbridas: una revolución de las energías renovables

Una solución que implique un híbrido entre dos tecnologías puede servir como respuesta al desconcertante problema.

Un equipo de científicos de la Penn State University ideó la solución mediante la hibridación de tecnologías RED y CapMix.

Similar a RED, CapMix se basa en electrodos que capturan la energía del voltaje que se desarrolla cuando hay dos concentraciones variables de iones. Sin embargo, CapMix usa específicamente la diferencia en los niveles de salinidad para generar una carga en lugar del flujo de cloro y sodio.

Para que el sistema funcione, el agua salina fluye a través de un tubo donde las membranas extraen las partículas cargadas. Se acumulan dos cargas de fuerza opuesta. Luego, se introduce una solución poco salina que hace que los electrodos se descarguen en el agua, generando electricidad.

Sistema de energía CapMix. [Fuente de imagen: Hatzell y col., Energy Environ. Sci. 7 a través de Penn State]

Dos por uno

Recientemente, un equipo de científicos ideó un método para unir las dos ideas. El sistema genera 12,6 vatios por metro cuadrado, sustancialmente más que otros generadores de solución salina.

“Al combinar los dos métodos, terminan dándote mucha más energía”, dice Gorski.

Una celda de flujo hecha a medida separa los canales de agua con una membrana de intercambio aniónico. El sistema utiliza hexacianoferrato de cobre como electrodo con lámina de grafito para recolectar la corriente. Alternar el flujo de agua salina y agua dulce libera la energía y permite aprovecharla.

"Hay dos cosas que hacen que funcione", agregó Gorski. “La primera es que la sal va a los electrodos. La segunda es que el cloruro se transfiere a través de la membrana. Dado que ambos procesos generan un voltaje, se termina desarrollando un voltaje combinado en los electrodos y a través de la membrana ".

Dado que tanto la concentración de sal como el flujo de partículas cargadas contribuyen a la producción de energía, el sistema ha generado sustancialmente más que cualquier otro generador de solución salina. Tampoco conlleva los mismos problemas que afectan a otros sistemas.

Celda de flujo de concentración con dos placas que la mantienen unida. Los tubos alimentan el sistema con sal o agua dulce. [Fuente de imagen: Jennifer Matthews a través de Penn State]

Una solución prometedora

La tecnología aún se encuentra en sus etapas iniciales, sin embargo, está demostrando ser mucho más eficiente que otros métodos.

La tecnología híbrida genera sustancialmente más que las otras técnicas independientes.

"A 12,6 vatios por metro cuadrado, esta tecnología conduce a densidades de potencia máximas que son sin precedentes en comparación con RED (2,9 vatios por metro cuadrado), y a la par con los valores máximos calculados para PRO (9,2 vatios por metro cuadrado), pero sin los problemas de ensuciamiento ". Reclama una declaración de Penn State.

Actualmente, los investigadores están investigando la estabilidad de los electrodos durante períodos prolongados. Los resultados son prometedores, sin embargo, la tecnología aún necesitará un refinamiento considerablemente mayor antes de que esté lista para una experimentación a gran escala.

Sin embargo, la tecnología híbrida es un paso sustancial en la dirección correcta hacia la energía renovable limpia. Aunque es joven, está aprovechando una fuente de energía completamente nueva, una que algún día pronto podría alimentar tanto como 40 por ciento de la demanda de energía en humanidades.

Vía Penn State

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Escrito por Maverick Baker


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