Poder osmótico

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La energía osmótica , energía del gradiente de salinidad o energía azul es la energía disponible a partir de la diferencia de concentración de sal entre el agua de mar y el agua de río . Dos métodos prácticos para ello 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 que están 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 los años 70 cuando se describió un método práctico para aprovecharla utilizando membranas selectivamente permeables por Loeb ^[2] .

El método de generación de energía mediante ósmosis retardada por presión fue inventado por el profesor Sidney Loeb en 1973 en la Universidad Ben-Gurion del Néguev, Beersheba, Israel. ^[3] La idea se le ocurrió al profesor Loeb, en parte, cuando observó el río Jordán desembocando en el mar Muerto. Quería aprovechar la energía de la mezcla de las dos soluciones acuosas (el río Jordán es una y el mar Muerto es la otra) que se estaba desperdiciando en este proceso de mezcla natural. ^[4] En 1977, el profesor Loeb inventó un método para producir energía mediante un motor térmico de electrodiálisis inversa. ^[5]

Las tecnologías se han confirmado en condiciones de laboratorio y 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 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]

La energía por gradiente de salinidad es una alternativa energética renovable específica que crea energía renovable y sostenible mediante el uso de procesos naturales. Esta práctica no contamina ni libera emisiones de dióxido de carbono (CO2 ₎ (los métodos de presión de vapor liberarán aire disuelto que contiene CO2 _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 “Recent Development in Salinity Gradient Power”, básicamente no hay ningún costo 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 con la tecnología del gradiente de salinidad se basa en 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 presión osmótica alta y baja, las soluciones con mayores concentraciones de sal tienen mayor presión.

Existen diferentes métodos de generación de energía con gradientes de salinidad, pero uno de los más discutidos es la ósmosis retardada por presión (PRO). En la 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 la 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, gira una turbina para generar electricidad. En el artículo de Braun, afirma que este proceso es fácil de entender de una manera más desglosada. Dos soluciones, A es agua salada y B es agua dulce, están separadas por una membrana. Afirma 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". ^[11] La presión impulsa las turbinas y alimenta el generador que produce la energía eléctrica. La ósmosis podría usarse directamente para "bombear" agua dulce desde los Países Bajos hacia el mar. Esto se hace actualmente utilizando bombas eléctricas.

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 (2,7 kJ/L), mientras que la energía libre de mezcla es de 0,81 kWh/m ³ (2,9 kJ/L), una eficiencia de extracción termodinámica del 91,0 %. ^[12]

Si bien la mecánica y los conceptos de la energía del gradiente de salinidad aún se están estudiando, la fuente de energía se ha implementado en varios lugares diferentes. La mayoría de estos son experimentales, pero hasta ahora han tenido un éxito predominante. Las diversas empresas que han utilizado esta energía también lo han hecho de muchas maneras diferentes, ya que existen varios conceptos y procesos que aprovechan la energía del gradiente de salinidad.

Un método para utilizar la energía del gradiente de salinidad se llama ósmosis retardada por presión . ^[13] En este método, se bombea agua de mar a una cámara de presión que está a una presión 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, 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, proporcionando energía cinética. Este método está siendo estudiado específicamente por la empresa de servicios públicos noruega Statkraft , que ha calculado que hasta 2,85 GW estarían disponibles a partir de 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 en cinco años mediante ósmosis. Al principio, producía unos minúsculos 4 kilovatios (suficientes para calentar una tetera eléctrica grande), pero en 2015 el objetivo era de 25 megavatios (lo mismo que un pequeño parque eólico). ^[16] Sin embargo, en enero de 2014, Statkraft anunció que no continuaría con este proyecto piloto. ^[17] Statkraft descubrió que con la tecnología existente, el gradiente de sal no era lo suficientemente alto como para resultar económico, algo en lo que han coincidido otros estudios. ^[18] Se pueden encontrar gradientes de sal más altos en salmueras geotérmicas y de plantas de desalinización, ^[19] y SaltPower, una empresa danesa, está construyendo ahora su primera planta comercial con salmuera de alta salinidad. ^[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]

Un segundo método que se está desarrollando y estudiando es la electrodiálisis inversa o diálisis inversa, que consiste básicamente en la creación de una batería de sal. Weinstein y Leitz describieron este método como “una serie de membranas de intercambio de aniones y cationes alternados que se pueden utilizar 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 etapas iniciales, a pesar de que el principio fue descubierto en la década de 1950. La creación de normas y una comprensión completa de todas las formas en que se pueden utilizar los gradientes de salinidad son objetivos importantes que se deben alcanzar para que esta fuente de energía limpia sea más viable en el futuro.

Un tercer método es el método capacitivo de Doriano Brogioli ^[7] , que es relativamente nuevo y hasta ahora sólo se ha probado a escala de laboratorio. Con este método se puede extraer energía de la mezcla de agua salada y agua dulce mediante la carga cíclica de electrodos en contacto con agua salina, seguida 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 completado produce energía de manera efectiva. Una explicación intuitiva de este efecto es que la gran cantidad de iones en el agua salina neutraliza de manera eficiente la carga en cada electrodo al formar una capa delgada 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 el voltaje sobre los electrodos aumenta. Por lo tanto, el paso de descarga que sigue puede entregar una cantidad relativamente alta de energía. 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 un trabajo . Este trabajo aumenta la energía potencial eléctrica en el condensador. Una explicación electrónica es que la capacitancia es una función de la densidad iónica. Al introducir un gradiente de salinidad y permitir que algunos de los 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.

Ambos métodos no dependen de membranas, por lo que los requisitos de filtración no son tan importantes como en los esquemas PRO y RED.

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 o más) que opera a presión inferior a la atmosférica para extraer la energía entre el agua con menor salinidad y el agua con mayor salinidad.

Para deshumidificar el aire, en un sistema de refrigeración por absorción con pulverización de agua , el vapor de agua se disuelve en una mezcla de agua salada delicuescente utilizando energía osmótica como intermediario. La fuente de energía primaria se origina a partir de una diferencia térmica, como parte de un ciclo de motor térmico termodinámico .

En la mina de potasa Eddy, en Nuevo México, se utiliza una tecnología llamada " 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 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 "el calor sube", se bloquea utilizando diferencias de densidad entre las tres capas que forman el estanque, con el fin de atrapar el calor. La zona de convección superior es la zona más alta, seguida por la zona de gradiente estable y luego la zona térmica inferior. La zona de gradiente estable es la más importante. El agua salada de esta capa no puede subir 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 hundirse al nivel inferior porque esa agua salada es más densa. Esta zona intermedia, 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 una turbina en un ciclo orgánico de Rankine . ^[22]

En teoría, se podría utilizar un estanque solar para generar energía osmótica si se utiliza la evaporación del calor solar para crear un gradiente de salinidad, y la energía potencial en este gradiente de salinidad se aprovecha directamente utilizando uno de los tres primeros métodos anteriores, como el método capacitivo.

Un equipo de investigación construyó un sistema experimental utilizando nitruro de boro que producía mucha más energía que el prototipo de Statkraft. Utilizó 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 separando un depósito de agua salada y un depósito de agua dulce, el equipo midió la corriente eléctrica que pasaba a través de la membrana utilizando dos electrodos sumergidos en el fluido a cada lado del nanotubo.

Los resultados mostraron que el dispositivo era capaz de 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 convierte a los nanotubos de nitruro de boro en una solución extremadamente eficiente para recolectar la energía de los gradientes de salinidad y 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 Sociedad de Investigación de Materiales, un equipo de la Universidad Rutgers informó la creación de una membrana que contenía alrededor de 10 millones de BNNT por centímetro cúbico. ^{[24] [25]}

En la Universidad Estatal de Pensilvania, el Dr. Logan intenta utilizar el calor residual con bajo contenido calórico aprovechando el hecho de que el bicarbonato de amonio se descompone en NH3 _y CO2 _en agua caliente para formar bicarbonato de amonio nuevamente en agua fría. De este modo, en un sistema cerrado productor de energía ROJA se mantienen los dos gradientes de salinidad diferentes. ^[26]

Los ambientes marinos y fluviales tienen diferencias obvias en la calidad del agua, en particular 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 generalmente prosperan mejor en un ambiente acuático específico. El principal producto de desecho de la tecnología de gradiente de salinidad es el agua salobre. La descarga de agua salobre en las aguas circundantes, si se realiza en grandes cantidades y con cierta regularidad, causará fluctuaciones de salinidad. Si bien es habitual cierta variación en la salinidad, en particular cuando 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 dar como resultado 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 ambientalistas predominantes, la posibilidad de estos efectos negativos debería ser considerada por los operadores de futuros grandes establecimientos de energía azul.

El impacto del agua salobre sobre los ecosistemas se puede minimizar bombeándola al mar y liberándola en la capa intermedia, lejos de los ecosistemas superficiales y del fondo.

El impacto y el arrastre en las estructuras de captación son un problema debido a los grandes volúmenes de agua de río y de mar que se utilizan en los esquemas PRO y RED. Los permisos de construcción de las tomas deben cumplir con estrictas normas ambientales y las plantas de desalinización y las centrales eléctricas que utilizan agua superficial a veces deben participar en diversas agencias locales, estatales y federales para obtener el permiso, que puede demorar 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. ^[28]

• El plan hídrico holandés convertirá la energía verde en azul Archivado el 24 de diciembre de 2009 en Wayback Machine
• ClimateTechWiki: Energía oceánica: gradiente de salinidad para la generación de electricidad
• Portal y repositorio de información sobre energía renovable marina Una red de bases de datos que proporciona un amplio acceso a la información sobre energía marina.
• Conceptos básicos de 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 las implementaciones de energía marina en los EE. UU. y en todo el mundo.
• Base de datos Tethys Una base de datos de información sobre los posibles efectos ambientales de la energía marina y el desarrollo de la energía eólica marina.
• Base de datos de ingeniería de Tethys Una base de datos de información sobre diseño técnico e ingeniería de dispositivos de energía marina.
• Repositorio de datos marinos e hidrocinéticos Una base de datos para todos los datos recopilados por proyectos de investigación y desarrollo de energía marina financiados por el Departamento de Energía de EE. UU.