El poder osmótico , el poder 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 esto son la electrodiálisis inversa (RED) y la ósmosis retardada por presión (PRO). Ambos procesos se basan en la ósmosis con membranas . El producto de desecho clave es el agua salobre . Este subproducto es el resultado de fuerzas naturales que se están aprovechando: el flujo de agua dulce hacia los mares que están formados por 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 presión osmótica perdida, sin embargo no fue hasta mediados de los 70 cuando un método práctico de explotarlo usando selectivamente Se describieron las membranas permeables de Loeb [2] .
El método de generación de energía por ósmosis retardada por presión fue inventado por el profesor Sidney Loeb en 1973 en la Universidad Ben-Gurion del Negev, Beersheba, Israel. [3] La idea se le ocurrió al Prof. Loeb, en parte, mientras observaba el río Jordán fluyendo hacia el Mar Muerto. Quería cosechar la energía de la mezcla de las dos soluciones acuosas (el río Jordán es una y el mar Muerto la otra) que se desperdiciaría en este proceso de mezcla natural. [4] En 1977, el profesor Loeb inventó un método de producción de energía mediante un motor térmico de electrodiálisis inversa. [5]
Las tecnologías se han confirmado en condiciones de laboratorio. Se están desarrollando para uso comercial en los Países Bajos (RED) y Noruega (PRO). El costo de la membrana ha sido un obstáculo. Una nueva membrana de menor costo, basada en un plástico de polietileno modificado eléctricamente , la hizo apta para un posible uso comercial. [6] Se han propuesto otros métodos y se encuentran actualmente en desarrollo. Entre ellos, un método basado en la tecnología de condensadores eléctricos de doble capa [7] y un método basado en la diferencia de presión de vapor . [8]
Conceptos básicos del poder del gradiente de salinidad
La energía de gradiente de salinidad es una alternativa de energía renovable específica que crea energía renovable y sostenible mediante el uso de procesos que ocurren naturalmente. Esta práctica no contamina ni libera emisiones de dióxido de carbono (CO 2 ) (los métodos de presión de vapor liberan aire disuelto que contiene CO 2 a bajas presiones; estos gases no condensables pueden volver a disolverse, por supuesto, pero con una penalización energética). Además, como afirman Jones y Finley en su artículo “Desarrollo reciente en potencia de gradiente de salinidad”, básicamente no hay costo de combustible.
La energía del gradiente de salinidad se basa en el uso de los recursos de "diferencia de presión osmótica entre el agua dulce y el agua de mar". [9] Toda la energía que se propone utilizar la tecnología de gradiente de salinidad se basa en la evaporación para separar el agua de la sal. La presión osmótica es el "potencial químico de las soluciones de sal concentradas y diluidas". [10] Al observar las relaciones entre la presión osmótica alta y la baja, las soluciones con concentraciones más altas de sal tienen una presión más alta.
Existen diferentes generaciones de energía de gradiente de salinidad, pero una de las más comúnmente discutidas es la ósmosis retardada por presión (PRO). Dentro de PRO, el agua de mar se bombea a una cámara de presión donde la presión es menor que la diferencia entre la presión del agua dulce y salada. El agua dulce se mueve en una membrana semipermeable y aumenta su volumen en la cámara. A medida que se compensa la presión en la cámara, una turbina gira para generar electricidad. En el artículo de Braun, afirma que este proceso es fácil de entender de una manera más desglosada. Dos soluciones, A que es agua salada y B que es agua dulce, están separadas por una membrana. Afirma que "sólo 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". [11] La presión impulsa las turbinas y alimenta el generador que produce la energía eléctrica. La ósmosis podría usarse directamente para "bombear" agua dulce de los Países Bajos al mar. Actualmente, esto se hace mediante bombas eléctricas.
Eficiencia
Un estudio de 2012 sobre eficiencia de 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 / m 3, mientras que la energía libre de mezcla es de 0,81 kWh / m 3 —un termodinámico eficiencia de extracción del 91,0%. [12]
Métodos
Si bien aún se están estudiando la mecánica y los conceptos de la energía del gradiente de salinidad, la fuente de energía se ha implementado en varios lugares diferentes. La mayoría de ellos son experimentales, pero hasta ahora han tenido un éxito mayoritario. Las diversas empresas que han utilizado este poder también lo han hecho de muchas formas diferentes, ya que existen varios conceptos y procesos que aprovechan el poder del gradiente de salinidad.
Ósmosis retardada por presión
Un método para utilizar la energía del gradiente de salinidad se llama ósmosis retardada por presión . [13] En este método, el agua de mar se bombea a una cámara de presión que está a una presión más baja que la diferencia entre las presiones del agua salina y el agua dulce. El agua dulce también se bombea a la cámara de presión a través de una membrana, lo que aumenta tanto el volumen como la presión de la cámara. A medida que se compensan las diferencias de presión, se hace girar una turbina que proporciona energía cinética. Este método está siendo estudiado específicamente por la empresa noruega Statkraft , que ha calculado que hasta 2,85 GW estarían disponibles en este proceso en Noruega. [14] Statkraft ha construido el primer prototipo de planta de energía PRO del mundo en el fiordo de Oslo que fue inaugurado por la princesa Mette-Marit de Noruega [15] el 24 de noviembre de 2009. Su objetivo era producir suficiente electricidad para iluminar y calentar una pequeña ciudad dentro cinco años por ósmosis. Al principio, produjo unos minúsculos 4 kilovatios, suficientes para calentar un hervidor eléctrico grande, pero para 2015 el objetivo era de 25 megavatios, lo mismo que un pequeño parque eólico. [16] En enero de 2014, sin embargo, Statkraft anunció que no continuaría con este piloto. [17] Statkraft descubrió que con la tecnología existente, el gradiente de sal no era lo suficientemente alto como para ser económico, con lo que otros estudios han coincidido. [18] Se pueden encontrar gradientes de sal más altos en salmueras geotérmicas y salmueras de plantas de desalinización, [19] y una planta piloto en Dinamarca está probando salmueras geotérmicas. [20] Quizás haya más potencial en la integración de la ósmosis retardada por presión como un modo operativo de ósmosis inversa, en lugar de una tecnología independiente. [21]
Electrodiálisis inversa
Un segundo método que se está desarrollando y estudiando es la electrodiálisis inversa o diálisis inversa, que es esencialmente la creación de una batería de sal. Este método fue descrito por Weinstein y Leitz como "una serie de membranas de intercambio aniónico y catiónico alternas que se pueden utilizar para generar energía eléctrica a partir de la energía libre del agua del río y del mar".
La tecnología relacionada con este tipo de poder se encuentra todavía en sus etapas iniciales, aunque el principio se descubrió en la década de 1950. Los estándares y una comprensión completa de todas las formas en que se pueden utilizar los gradientes de salinidad son objetivos importantes por los que luchar para hacer que esta fuente de energía limpia sea más viable en el futuro.
Método capacitivo
Un tercer método es Doriano Brogioli 's [7] método capacitivo, que es relativamente nueva y hasta ahora sólo ha sido probado en escala de laboratorio. Con este método se puede extraer energía de la mezcla de agua salina y agua dulce mediante la carga cíclica de los electrodos en contacto con agua salina, seguido de una descarga en agua dulce. Dado que la cantidad de energía eléctrica que se necesita durante el paso de carga es menor que la que se obtiene durante el paso de 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 eficientemente la carga en cada electrodo formando 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 el paso de carga y la carga es relativamente fácil. Entre el paso de carga y descarga, los electrodos se ponen en contacto con agua dulce. Después de esto, hay menos iones disponibles para neutralizar la carga en cada electrodo, de modo que aumenta el voltaje sobre los electrodos. Por tanto, la etapa de descarga que sigue es capaz de suministrar una cantidad de energía relativamente alta. Una explicación física es que en un capacitor cargado eléctricamente, existe una fuerza eléctrica mutuamente atractiva entre la carga eléctrica en el electrodo y la carga iónica en el líquido. Para alejar los iones del electrodo cargado, la presión osmótica debe funcionar . Este trabajo realizado aumenta la energía potencial eléctrica en el condensador. Una explicación electrónica es que la capacitancia es una función de la densidad de iones. Al introducir un gradiente de salinidad y permitir que algunos de los iones se difundan fuera del capacitor, esto 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)
Ambos métodos no se basan en membranas, por lo que los requisitos de filtración no son tan importantes como en los esquemas PRO & RED.
Ciclo abierto
Similar al ciclo abierto en la conversión de energía térmica oceánica (OTEC). La desventaja de este ciclo es el engorroso problema de una turbina de gran diámetro (75 metros +) que opera por debajo de la presión atmosférica para extraer la energía entre el agua con menos salinidad y el agua con mayor salinidad.
Ciclo de refrigeración por absorción (ciclo cerrado)
Con el fin de deshumidificar el aire, en un sistema de refrigeración por absorción por aspersión de agua, el vapor de agua se disuelve en una mezcla de agua salada delicuescente utilizando poder osmótico como intermediario. La fuente de energía primaria se origina a partir de una diferencia térmica, como parte de un ciclo de motor térmico termodinámico .
Estanque solar
En la mina Eddy Potash en Nuevo México, se está utilizando una tecnología llamada " estanque solar de gradiente de salinidad " (SGSP) para proporcionar la energía que necesita la mina. Este método no aprovecha la energía osmótica , solo la energía solar (ver: estanque solar ). La luz solar que llega al fondo del estanque de agua salada se absorbe en forma de calor. El efecto de la convección natural , en el que "aumenta el calor", se bloquea mediante 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 zona más alta, seguida de la zona de gradiente estable, luego la zona térmica inferior. La zona de gradiente estable es la más importante. El agua salada en esta capa no puede subir a la zona más alta porque el agua salada arriba tiene menor salinidad y por lo tanto es menos densa y más flotante; y no puede hundirse hasta el nivel más bajo porque esa agua salada es más densa. Esta zona media, la zona de gradiente estable, se convierte efectivamente en un "aislante" para la capa inferior (aunque el propósito principal 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 turbinas en un ciclo Rankine orgánico . [22]
En teoría, un estanque solar podría usarse para generar energía osmótica si la evaporación del calor solar se usa para crear un gradiente de salinidad, y la energía potencial en este gradiente de salinidad se aprovecha directamente usando uno de los primeros tres métodos anteriores, como el método capacitivo. .
Nanotubos de nitruro de boro
Un equipo de investigación construyó un sistema experimental utilizando nitruro de boro que producía una potencia mucho mayor que el prototipo de Statkraft. Usó una membrana impermeable y eléctricamente aislante que fue perforada por un solo nanotubo de nitruro de boro con un diámetro externo de unas pocas docenas de nanómetros. Con esta membrana que separa un depósito de agua salada y un depósito de agua dulce, el equipo midió la corriente eléctrica que pasa a través de la membrana utilizando dos electrodos sumergidos en el fluido a cada lado del nanotubo.
Los resultados mostraron que el dispositivo podía generar una corriente eléctrica del orden de un nanoamperio. Los investigadores afirman que esto es 1,000 veces el rendimiento de otras técnicas conocidas para recolectar energía osmótica y hace que los nanotubos de nitruro de boro sean una solución extremadamente eficiente para recolectar la energía de los gradientes de salinidad para generar 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. [23]
En la reunión de otoño de 2019 de la Materials Research Society, 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. [24] [25]
Uso de energía residual baja en calorías mediante la regeneración de una solución alta de bicarbonato de amonio en una solución con baja salinidad.
En la Universidad Estatal de Pensilvania, el Dr. Logan intenta utilizar el calor residual con pocas calorías utilizando el hecho de que el bicarbonato de amonio desaparece en NH 3 y CO 2 en agua tibia para formar bicarbonato de amoníaco nuevamente en agua fría. Entonces, en un sistema cerrado productor de energía ROJA, se mantienen los dos gradientes diferentes de salinidad. [26]
Posible impacto ambiental negativo
Los entornos marinos y fluviales tienen diferencias obvias en la calidad del agua, a saber, la salinidad. Cada especie de planta y animal acuático está adaptada para sobrevivir en ambientes marinos, salobres o de agua dulce. Hay especies que pueden tolerar ambos, pero estas especies suelen prosperar mejor en un entorno acuático específico. El principal producto de desecho de la tecnología de gradiente de salinidad es el agua salobre. La descarga de agua salobre a las aguas circundantes, si se hace en grandes cantidades y con regularidad, provocará fluctuaciones de salinidad. Si bien es habitual cierta variación en la salinidad, particularmente donde el agua dulce (ríos) desemboca en un océano o mar de todos modos, 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 resultar en hallazgos de bajas densidades tanto de animales como de plantas debido a la intolerancia a caídas o picos repentinos y severos de salinidad. [27] Según las opiniones ecologistas predominantes, los operadores de los futuros grandes establecimientos de energía azul deberían considerar la posibilidad de estos efectos negativos.
El impacto del agua salobre en los ecosistemas se puede minimizar bombeándola al mar y liberándola en la capa intermedia, lejos de los ecosistemas de superficie y fondo.
El impacto y el arrastre en las estructuras de toma son una preocupación debido a los grandes volúmenes de agua de río y de mar utilizados en los esquemas PRO y RED. Los permisos de construcción de admisión deben cumplir con estrictas regulaciones ambientales y las plantas de desalinización y las plantas de energía que utilizan agua superficial a veces se involucran con varias agencias locales, estatales y federales para obtener un permiso que puede demorar hasta 18 meses.
Ver también
- Ósmosis directa
- Reversión de electrodiálisis (EDR)
- Electrodiálisis inversa
- Ósmosis inversa : proceso de purificación de agua
- Membrana semipermeable
- Energía marina : energía almacenada en las aguas de los océanos.
- Energía verde
- Energía renovable : energía que se obtiene de recursos renovables.
- Fugacidad : presión parcial efectiva
- Celda de concentracion
- Estanque solar
Referencias
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enlaces externos
- Plan de agua holandés para convertir la energía verde en azul
- ClimateTechWiki: Ocean Energy: gradiente de salinidad para la generación de electricidad