Hispanopedia WikiLa energía osmótica , la energía del gradiente de salinidad o la energía azul es la energía disponible a partir de la diferencia en la concentración de sal entre el agua de mar y el agua de río . Dos métodos prácticos para obtenerla son la electrodiálisis inversa (RED) y la ósmosis retardada por presión (PRO). Ambos procesos se basan en la ósmosis con membranas . El principal producto de desecho es el agua salobre . Este subproducto es el resultado de fuerzas naturales que se están aprovechando: el flujo de agua dulce hacia mares compuestos de agua salada.
En 1954, Pattle [ 1 ] sugirió que había una fuente de energía sin explotar cuando un río se mezcla con el mar, en términos de la presión osmótica perdida, sin embargo, no fue hasta mediados de la década de 1970 cuando Loeb [ 2 ] esbozó un método práctico para aprovecharla utilizando membranas selectivamente permeables.
El método de generación de energía mediante ósmosis retardada por presión fue inventado por Sidney Loeb en 1973 en la Universidad Ben-Gurion del Negev , Beersheba , Israel. [ 3 ] La idea surgió, en parte, al observar el río Jordán desembocando en el Mar Muerto . Quería aprovechar la energía de la mezcla de las dos soluciones acuosas (el río Jordán y el Mar Muerto) que se desperdiciaba en este proceso natural. [ 4 ] En 1977, Loeb inventó un método para producir energía mediante un motor térmico de electrodiálisis inversa. [ 5 ]
Las tecnologías se han confirmado en condiciones de laboratorio. Se están desarrollando para su uso comercial en los Países Bajos (RED) y Noruega (PRO). El coste de la membrana ha sido un obstáculo. Una nueva membrana de menor coste, basada en un plástico de polietileno modificado eléctricamente , la hizo apta para su posible uso comercial. [ 6 ] Se han propuesto otros métodos que actualmente se encuentran en desarrollo. Entre ellos se encuentran un método basado en la tecnología de condensadores de doble capa eléctrica [ 7 ] y un método basado en la diferencia de presión de vapor . [ 8 ]
Conceptos básicos de la potencia del gradiente de salinidad
La energía de gradiente de salinidad es una alternativa específica de energía renovable que genera energía renovable y sostenible mediante procesos naturales. Esta práctica no contamina ni libera emisiones de dióxido de carbono (CO₂ ) (los métodos de presión de vapor liberan aire disuelto que contiene CO₂ a bajas presiones; estos gases no condensables pueden redisolverse, por supuesto, pero con un coste energético). Además, como afirman Jones y Finley en su artículo "Desarrollos recientes en la energía de gradiente de salinidad", prácticamente no hay coste de combustible.
La energía del gradiente de salinidad se basa en el uso de los recursos de la "diferencia de presión osmótica entre el agua dulce y el agua de mar". [ 9 ] Toda la energía que se propone utilizar la tecnología del gradiente de salinidad depende de la evaporación para separar el agua de la sal. La presión osmótica es el "potencial químico de soluciones concentradas y diluidas de sal". [ 10 ] Al observar las relaciones entre la alta y la baja presión osmótica, las soluciones con mayores concentraciones de sal tienen mayor presión.
Existen diversas formas de generación de energía mediante gradientes de salinidad; una de las más comunes es la ósmosis retardada por presión (PRO). En la PRO, se bombea agua de mar a una cámara de presión donde la presión es menor que la diferencia entre la presión del agua dulce y la del agua salada. El agua dulce se mueve a través de una membrana semipermeable y aumenta su volumen en la cámara. Al compensarse la presión en la cámara, una turbina gira para generar electricidad. En su artículo, Braun afirma que este proceso es fácil de entender de forma más detallada. Dos soluciones, A (agua salada) y B (agua dulce), están separadas por una membrana. Explica que "solo las moléculas de agua pueden atravesar la membrana semipermeable. Como resultado de la diferencia de presión osmótica entre ambas soluciones, el agua de la solución B se difundirá a través de la membrana para diluir la solución A". [ 10 ] La presión impulsa las turbinas y alimenta el generador que produce la energía eléctrica. La ósmosis podría utilizarse directamente para bombear agua dulce desde los Países Bajos al mar. Actualmente, esto se realiza mediante bombas eléctricas.
Eficiencia
Un estudio de 2012 sobre eficiencia realizado por la Universidad de Yale concluyó que el trabajo extraíble más alto en PRO a presión constante con una solución de extracción de agua de mar y una solución de alimentación de agua de río es de 0,75 kWh/m³ ( 2,7 kJ/L), mientras que la energía libre de mezcla es de 0,81 kWh/m³ ( 2,9 kJ/L) , lo que representa una eficiencia de extracción termodinámica del 91,0 %. [ 11 ]
Métodos
Si bien la mecánica y los conceptos de la generación de energía mediante gradientes de salinidad aún se están estudiando, esta fuente de energía ya se ha implementado en diversos lugares. La mayoría de estos proyectos son experimentales, pero hasta el momento han tenido un éxito considerable. Las distintas empresas que han utilizado esta energía lo han hecho de diversas maneras, ya que existen varios conceptos y procesos para aprovechar la energía generada por los gradientes de salinidad.
ósmosis retardada por presión
Un método para aprovechar la energía del gradiente de salinidad se denomina ósmosis retardada por presión . [ 12 ] En este método, se bombea agua de mar a una cámara de presión cuya presión es menor que la diferencia entre las presiones del agua salada y el agua dulce. También se bombea agua dulce a la cámara de presión a través de una membrana, lo que aumenta tanto el volumen como la presión de la cámara. Al compensarse las diferencias de presión, se hace girar una turbina, que proporciona energía cinética. Este método está siendo estudiado específicamente por la empresa eléctrica noruega Statkraft , que ha calculado que se podrían obtener hasta 2,85 GW de este proceso en Noruega. [ 13 ] Statkraft ha construido el primer prototipo mundial de central eléctrica PRO en el fiordo de Oslo, que se inauguró el 24 de noviembre de 2009. Su objetivo era producir suficiente electricidad para iluminar y calentar una pequeña ciudad en un plazo de cinco años mediante ósmosis. Al principio, produjo unos minúsculos 4 kilovatios, suficientes para calentar una tetera eléctrica grande, pero para 2015 el objetivo era de 25 megavatios, lo mismo que un pequeño parque eólico. [ 14 ] Sin embargo, en enero de 2014, Statkraft anunció que no continuaría con este proyecto piloto. [ 15 ] Statkraft descubrió que con la tecnología existente, el gradiente de sal no era lo suficientemente alto como para ser económicamente viable, lo que otros estudios han confirmado. [ 16 ] Se pueden encontrar gradientes de sal más altos en salmueras geotérmicas y salmueras de plantas desalinizadoras, [ 17 ] y SaltPower, una empresa danesa, está construyendo su primera planta comercial con salmuera de alta salinidad. [ 18 ] Quizás haya más potencial en integrar la ósmosis retardada por presión como un modo de operación de la ósmosis inversa, en lugar de una tecnología independiente. [ 19 ]
electrodiálisis inversa
Un segundo método que se está desarrollando y estudiando es la electrodiálisis inversa o diálisis inversa, que consiste esencialmente en la creación de una batería de sales. Este método fue descrito por Weinstein y Leitz como «una serie de membranas de intercambio aniónico y catiónico alternadas que pueden utilizarse para generar energía eléctrica a partir de la energía libre del agua de río y de mar».
La tecnología relacionada con este tipo de energía aún se encuentra en sus primeras etapas, a pesar de que el principio se descubrió en la década de 1950. Establecer estándares y comprender completamente todas las formas en que se pueden utilizar los gradientes de salinidad son objetivos importantes a alcanzar para que esta fuente de energía limpia sea más viable en el futuro.
Método capacitivo
Un tercer método es el método capacitivo de Doriano Brogioli [ 7 ] , relativamente nuevo y que hasta ahora solo se ha probado a escala de laboratorio. Con este método, se puede extraer energía de la mezcla de agua salina y agua dulce cargando cíclicamente electrodos en contacto con agua salina, seguido de una descarga en agua dulce. Dado que la cantidad de energía eléctrica necesaria durante la carga es menor que la que se obtiene durante la descarga, cada ciclo completo produce energía de manera efectiva. Una explicación intuitiva de este efecto es que la gran cantidad de iones en el agua salina neutraliza eficazmente la carga de cada electrodo al formar una fina capa de carga opuesta muy cerca de la superficie del electrodo, conocida como doble capa eléctrica . Por lo tanto, el voltaje sobre los electrodos permanece bajo durante la carga y esta es relativamente fácil. Entre la carga y la descarga, los electrodos se ponen en contacto con agua dulce. Después de esto, hay menos iones disponibles para neutralizar la carga de cada electrodo, de modo que el voltaje sobre los electrodos aumenta. Por consiguiente, la descarga posterior puede suministrar una cantidad de energía relativamente alta. Una explicación física es que, en un condensador cargado eléctricamente, existe una fuerza eléctrica de atracción mutua entre la carga eléctrica del electrodo y la carga iónica del líquido. Para alejar los iones del electrodo cargado, la presión osmótica debe realizar trabajo . Este trabajo incrementa la energía potencial eléctrica del condensador. Una explicación electrónica es que la capacitancia es función de la densidad iónica. Al introducir un gradiente de salinidad y permitir que algunos iones se difundan fuera del condensador, se reduce la capacitancia y, por lo tanto, el voltaje debe aumentar, ya que el voltaje es igual a la relación entre la carga y la capacitancia.
Diferencias de presión de vapor: ciclo abierto y ciclo de refrigeración por absorción (ciclo cerrado)
Ninguno de estos dos métodos depende de membranas, por lo que los requisitos de filtración no son tan importantes como en los sistemas PRO y RED.
Ciclo abierto
Similar al ciclo abierto en la conversión de energía térmica oceánica (OTEC). La desventaja de este ciclo radica en el engorroso problema de una turbina de gran diámetro (más de 75 metros) que opera a presión inferior a la atmosférica para extraer la energía entre el agua con menor salinidad y el agua con mayor salinidad.
Ciclo de refrigeración por absorción (ciclo cerrado)
En un sistema de refrigeración por absorción con pulverización de agua , para deshumidificar el aire, el vapor de agua se disuelve en una mezcla de agua salada delicuescente mediante la ósmosis. La principal fuente de energía proviene de una diferencia de temperatura, como parte de un ciclo termodinámico .
estanque solar
En la mina de potasa Eddy en Nuevo México, se utiliza una tecnología denominada " estanque solar de gradiente de salinidad" (SGSP, por sus siglas en inglés) para proporcionar la energía que necesita la mina. Este método no aprovecha la energía osmótica , sino únicamente la energía solar (véase: estanque solar ). La luz solar que llega al fondo del estanque de agua salada se absorbe como calor. El efecto de la convección natural , en la que el calor asciende, se bloquea mediante las diferencias de densidad entre las tres capas que componen el estanque, con el fin de atrapar el calor. La zona de convección superior es la más alta, seguida de la zona de gradiente estable y, finalmente, la zona térmica inferior. La zona de gradiente estable es la más importante. El agua salada en esta capa no puede ascender a la zona superior porque el agua salada de arriba tiene menor salinidad y, por lo tanto, es menos densa y más flotante; y no puede descender al nivel inferior porque esa agua salada es más densa. Esta zona intermedia, la zona de gradiente estable, actúa como un aislante para la capa inferior (aunque su principal función es bloquear la convección natural, ya que el agua es un mal aislante). Esta agua de la capa inferior, la zona de almacenamiento, se bombea y el calor se utiliza para producir energía, generalmente mediante una turbina en un ciclo Rankine orgánico . [ 20 ]
En teoría, un estanque solar podría utilizarse para generar energía osmótica si se aprovecha la evaporación producida por el calor solar para crear un gradiente de salinidad, y la energía potencial de este gradiente de salinidad se aprovecha directamente mediante uno de los tres primeros métodos mencionados anteriormente, como el método capacitivo.
Nanotubos de nitruro de boro
Un equipo de investigación construyó un sistema experimental con nitruro de boro que generó mucha más energía que el prototipo de Statkraft. Este sistema empleaba una membrana impermeable y aislante eléctrica atravesada por un nanotubo de nitruro de boro con un diámetro externo de unas pocas decenas de nanómetros. Con esta membrana separando un depósito de agua salada de otro de agua dulce, el equipo midió la corriente eléctrica que la atravesaba mediante dos electrodos sumergidos en el fluido a ambos lados del nanotubo.
Los resultados demostraron que el dispositivo era capaz de generar una corriente eléctrica del orden de un nanoamperio. Los investigadores afirman que esto representa un rendimiento 1000 veces superior al de otras técnicas conocidas para la captación de energía osmótica, lo que convierte a los nanotubos de nitruro de boro en una solución extremadamente eficiente para aprovechar la energía de los gradientes de salinidad y convertirla en energía eléctrica utilizable.
El equipo afirmó que una membrana de 1 metro cuadrado (11 pies cuadrados ) podría generar alrededor de 4 kW y ser capaz de generar hasta 30 MWh por año. [ 21 ]
En la reunión de otoño de 2019 de la Sociedad de Investigación de Materiales, un equipo de la Universidad de Rutgers informó sobre la creación de una membrana que contenía alrededor de 10 millones de BNNT por centímetro cúbico. [ 22 ] [ 23 ]
Utilizando energía residual de bajo poder calorífico mediante la regeneración de una solución de bicarbonato de amonio de alta concentración en una solución de baja salinidad.
En la Universidad Estatal de Pensilvania, el Dr. Logan intenta utilizar el calor residual de baja caloría aprovechando que el bicarbonato de amonio se descompone en NH₃ y CO₂ en agua caliente para volver a formar bicarbonato de amonio en agua fría. De esta forma, en un sistema cerrado de producción de energía RED, se mantienen los dos gradientes de salinidad. [ 24 ]
Posible impacto ambiental negativo
Los ambientes marinos y fluviales presentan diferencias evidentes en la calidad del agua, principalmente en la salinidad. Cada especie de planta y animal acuático está adaptada para sobrevivir en ambientes marinos, salobres o de agua dulce. Existen especies que pueden tolerar ambos, pero generalmente prosperan mejor en un ambiente acuático específico. El principal producto de desecho de la tecnología de gradiente de salinidad es el agua salobre. El vertido de agua salobre en las aguas circundantes, si se realiza en grandes cantidades y con regularidad, provocará fluctuaciones de salinidad. Si bien cierta variación en la salinidad es habitual, sobre todo donde el agua dulce (ríos) desemboca en un océano o mar, estas variaciones se vuelven menos importantes para ambos cuerpos de agua con la adición de aguas residuales salobres. Los cambios extremos de salinidad en un ambiente acuático pueden provocar bajas densidades de animales y plantas debido a la intolerancia a caídas o aumentos repentinos y severos de salinidad. [ 25 ] Según las opiniones ambientalistas predominantes, los operadores de futuras grandes instalaciones de energía azul deberían considerar la posibilidad de estos efectos negativos.
El impacto del agua salobre en los ecosistemas puede minimizarse bombeándola hacia el mar y liberándola en la capa intermedia, lejos de la superficie y de los ecosistemas del fondo.
La obstrucción y el arrastre en las estructuras de captación son motivo de preocupación debido a los grandes volúmenes de agua de río y de mar que se utilizan tanto en los sistemas PRO como RED. Los permisos de construcción de las tomas deben cumplir con estrictas regulaciones ambientales, y las plantas desalinizadoras y las centrales eléctricas que utilizan agua superficial a veces deben gestionar los permisos con diversas agencias locales, estatales y federales, un proceso que puede durar hasta 18 meses.
La base de datos Tethys proporciona acceso a literatura científica e información general sobre los posibles efectos ambientales de la potencia del gradiente de salinidad. [ 26 ]
Véase también
- Ósmosis directa : proceso de purificación del agua
- Electrodiálisis inversa ( EDR ) – Técnica de separación de sales del agua
- electrodiálisis inversa
- Ósmosis inversa : proceso de purificación del agua
- Membrana semipermeable – Tipo de membrana
- Energía marina : energía disponible en los océanos.
- Energía verde : energía que satisface de forma responsable las necesidades sociales, económicas y ambientales. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redireccionamiento.
- Energía renovable : energía obtenida de recursos renovables.
- Fugacidad – Presión parcial efectiva
- Celda de concentración – Celda galvánica
- Estanque solar – Energía solar térmica
Referencias
- ↑ RE Pattle (2 de octubre de 1954). "Producción de energía eléctrica mediante la mezcla de agua dulce y salada en el reactor hidroeléctrico". Nature . 174 (4431): 660. Bibcode : 1954Natur.174..660P . doi : 10.1038/174660a0 . S2CID 4144672 .
- ↑ S. Loeb (22 de agosto de 1975). "Centrales de energía osmótica". Science . 189 (4203): 654– 655. Bibcode : 1975Sci...189..654L . doi : 10.1126/science.189.4203.654 . PMID 17838753 .
- ↑ ^ Solicitud de patente israelí 42658 del 3 de julio de 1973. (ver también US 3906250 Muestra erróneamente la prioridad de Israel como 1974 en lugar de 1973 US 3906250
- ↑ ^ Weintraub, Bob. "Sidney Loeb", Boletín de la Sociedad Química de Israel, diciembre de 2001, número 8, páginas 8-9. https://drive.google.com/file/d/1hpgY6dd0Qtb4M6xnNXhutP4pMxidq_jqG962VzWt_W7-hssGnSxSzjTY8RvW/edit
- ↑ Patente de Estados Unidos US4171409
- ↑ Historia del poder osmótico (PDF) en archive.org
- 1 2 Brogioli, Doriano (2009-07-29). "Extracción de energía renovable a partir de una diferencia de salinidad mediante un condensador". Physical Review Letters . 103 (5) 058501. Bibcode : 2009PhRvL.103e8501B . doi : 10.1103/physrevlett.103.058501 . ISSN 0031-9007 . PMID 19792539 .
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- ↑ "Tetis" . Tetis . PNNL.
Enlaces externos
- Plan holandés para convertir la energía verde en azul. Archivado el 24/12/2009 en Wayback Machine.
- ClimateTechWiki: Energía oceánica: Gradiente de salinidad para la generación de electricidad
- Portal y repositorio de información sobre energías renovables marinas. Una red de bases de datos que proporciona un amplio acceso a la información sobre energía marina.
- Conceptos básicos sobre energía marina: Energía del gradiente de salinidad. Información básica sobre la energía del gradiente de salinidad.
- Base de datos de proyectos de energía marina: Una base de datos que proporciona información actualizada sobre el despliegue de proyectos de energía marina en los EE. UU. y en todo el mundo.
- Base de datos Tethys: Una base de datos con información sobre los posibles efectos ambientales del desarrollo de la energía marina y la energía eólica marina.
- Base de datos de ingeniería de Tethys: Una base de datos con información sobre el diseño técnico y la ingeniería de dispositivos de energía marina.
- Repositorio de datos marinos e hidrocinéticos: Una base de datos que contiene todos los datos recopilados por proyectos de investigación y desarrollo de energía marina financiados por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
- pilas de combustible
- Tecnologías sostenibles
- Energía sostenible
- Conversión de energía
- energía hidráulica
- Tecnología de membranas
