updated 5:46 PM CEST, Oct 18, 2017

Energía donde los ríos se encuentran con el mar

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energía del agua dulce al agua salada

El aprovechamiento de la energía que se genera cuando el agua dulce se encuentra con agua salada

Se basa en la diferencia en las concentraciones de sal entre las dos fuentes de agua

Los investigadores de Penn State han creado una nueva tecnología híbrida que produce cantidades sin precedentes de energía eléctrica donde se juntan en la costa el agua de mar y el agua dulce.

"El objetivo de esta tecnología es generar electricidad desde donde los ríos se encuentran con el océano", dijo Christopher Gorski, profesor asistente en ingeniería ambiental en Penn State. "Se basa en la diferencia en las concentraciones de sal entre las dos fuentes de agua".

Esa diferencia en la concentración de sal tiene el potencial para generar suficiente energía para satisfacer hasta el 40 por ciento de las demandas globales de electricidad. Aunque actualmente existen métodos para capturar esta energía, los dos métodos más exitosos, la ósmosis retardada por presión (PRO) y la electrodiálisis inversa (RED), se han quedado cortos.

PRO, el sistema más común, permite que el agua se transporte selectivamente a través de una membrana semipermeable, mientras que rechaza la sal. La presión osmótica creada a partir de este proceso se convierte entonces en energía girando turbinas.

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

Esto ocurre porque los agujeros en las membranas son increíblemente pequeños, por lo que se bloquean fácilmente. Además, PRO no tiene la capacidad de soportar las presiones necesarias de aguas súper saladas.

La segunda tecnología, RED, utiliza un gradiente electroquímico para desarrollar tensiones a través de las membranas de intercambio iónico.

"Las membranas de intercambio iónico sólo permiten que se muevan a través de ellos iones cargados positivamente o iones cargados negativamente", explicó Gorski. "Tan sólo está pasando la sal disuelta, y no el agua misma".

Aquí, la energía se crea cuando los iones cloruro o sodio cruzan las membranas de intercambio iónico como resultado del transporte selectivo de iones. Las membranas de intercambio iónico no requieren que el agua fluya a través de ellas, por lo que no se ensucian tan fácilmente como las membranas utilizadas en PRO. Sin embargo, el problema con RED es que no tiene la capacidad de producir grandes cantidades de energía.

Una tercera tecnología, la mezcla capacitiva (CapMix), es un método relativamente nuevo que también está siendo explorado. CapMix es una tecnología basada en electrodos que capta energía a partir del voltaje que se desarrolla cuando dos electrodos idénticos están expuestos secuencialmente a dos tipos diferentes de agua con diferentes concentraciones de sal, como agua dulce y agua de mar. Al igual que RED, el problema con CapMix es que no es capaz de producir suficiente energía para ser viable.

energía del agua dulce al agua saladaGorski y sus colaboradores pueden haber encontrado una solución a estos problemas. Los investigadores han combinado las tecnologías RED y CapMix en una célula de flujo electroquímico.

"Al combinar los dos métodos, terminan dándote mucha más energía", dijo Gorski.

El equipo construyó una célula de flujo personalizada en la que estaban separados dos canales por una membrana de intercambio aniónico. A continuación se colocó en cada canal un electrodo de hexacianoferrato de cobre, y se usó lámina de grafito como colector de corriente. A continuación se selló la célula utilizando dos placas de extremo con pernos y tuercas. Una vez construidos, un canal fue alimentado con agua de mar sintética, mientras que el otro canal fue alimentado con agua dulce sintética. La conmutación periódica de los caminos de flujo del agua permitió que la célula se recargara y produjera más energía. A partir de ahí, examinaron cómo influyeron en la producción de potencia máxima y media el voltaje de corte usado para caminos de flujo de conmutación, resistencia externa y concentraciones de sal.

"Aquí hay dos cosas que hacen que funcione", dijo Gorski. "La primera es que la sal pasa a los electrodos, la segunda es que el cloruro se transfiere a través de la membrana, ya que ambos generan un voltaje, terminan desarrollando un voltaje combinado en los electrodos y a través de la membrana".

célula de concentración de flujo

Para determinar el voltaje obtenido de la célula de flujo dependiendo del tipo de membrana utilizada y la diferencia de salinidad, el equipo registró tensiones de las células de circuito abierto mientras se alimentaban dos soluciones a 15 mililitros por minuto. A través de este método identificaron que el apilamiento de múltiples células sí influyó en la producción de electricidad. Con una potencia de 12,6 watts por metro cuadrado, esta tecnología conduce a densidades de potencia máxima sin precedentes en comparación con el ROI previamente reportado (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 incrustaciones.

"Lo que hemos demostrado es que podemos llevar esa densidad de energía hasta lo que la gente ha reportado para la ósmosis retardada por presión y a un valor mucho mayor que lo que se ha reportado si usas solo estos dos procesos", dijo Gorski.

Aunque los resultados son prometedores, los investigadores quieren hacer más investigación sobre la estabilidad de los electrodos con el tiempo y quieren saber cómo pueden afectar el rendimiento de la célula otros elementos en el agua de mar como el magnesio y el sulfato.

"Es importante la búsqueda de fuentes de energía renovables", dijo Gorski. "Si podemos hacer energía neutra en carbono, deberíamos".

Artículo científico: High power densities created from salinity differences by combining electrode and Donnan potentials in a concentration flow cell

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