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Solución salada para la generación de energía
La diferencia de salinidad entre el agua dulce y el agua salada es prometedora como una gran fuente de energía renovable. Se requiere energía para desalinizar el agua, y ejecutar el proceso a la inversa puede generar energía. Ahora, un enfoque novedoso basado en un diseño de batería convencional que utiliza nanomateriales podría proporcionar una forma de recolectar esa energía de manera económica.
Solución salina: Este dispositivo genera electricidad usando las diferencias de salinidad entre el agua dulce y salada. Las dos estructuras en forma de lámina sirven como electrodos positivos y negativos; el bulbo de vidrio es un electrodo de referencia.
El nuevo dispositivo, desarrollado por investigadores de la Universidad de Stanford, consta de un electrodo que atrae iones de sodio positivos y otro que atrae iones de cloro negativos. Cuando los electrodos se sumergen en agua salada, extraen iones de sodio y cloro del agua, y el movimiento de los iones crea una corriente eléctrica. Los electrodos se recargan drenando el agua salada, reemplazándola con agua dulce y aplicando una corriente eléctrica de voltaje relativamente bajo, que extrae los iones de los electrodos. Cuando se drena el agua dulce, los electrodos están listos para atraer más iones del siguiente lote de agua salada.
Es el proceso opuesto a la desalinización del agua, donde pones energía y tratas de generar agua dulce y agua salada más concentrada, dice Yi Cui , profesor de ingeniería y ciencia de los materiales en la Universidad de Stanford y autor principal del estudio. Aquí comienza con agua dulce y agua salada concentrada, y luego genera energía.
El grupo de Cui convirtió en electricidad el 74 por ciento de la energía potencial que existe entre el agua salada y el agua dulce, sin que el rendimiento disminuya en 100 ciclos. Colocar los electrodos más juntos, dice Cui, podría permitir que la batería alcance un 85 por ciento de eficiencia.
Una planta de energía que utilice esta tecnología estaría ubicada cerca del delta de un río donde el agua dulce se encuentra con el mar. Al extraer 50 metros cúbicos de agua de río por segundo, dice Cui, una planta de energía podría producir hasta 100 megavatios de energía. Calcula que si se aprovechara toda el agua dulce de todos los ríos costeros del mundo, su proceso de gradiente de salinidad podría generar 2 teravatios, o aproximadamente el 13 por ciento de la energía que se utiliza actualmente en todo el mundo.
Sin embargo, tal uso a gran escala perturbaría gravemente los entornos acuáticos sensibles. Creo que solo podría utilizar una fracción muy pequeña de esto o sería un desastre ecológico, dice. Menachem Elimelech , director del Programa de Ingeniería Ambiental de la Universidad de Yale. Elimelech dice que sería necesario pretratar el agua para eliminar el material suspendido, incluidos los organismos vivos. Dicho procesamiento requeriría energía, agregaría costos y, en sí mismo, perturbaría seriamente el ecosistema si se realizara a gran escala.
Los esfuerzos anteriores para recolectar energía del diferencial de salinidad entre el agua salada y el agua dulce se han centrado principalmente en un proceso conocido como ósmosis retardada por presión. En este enfoque, el agua dulce y el agua salada se alojan en cámaras separadas, que están divididas por una membrana artificial. La mayor salinidad del agua salada atrae agua dulce a través de la membrana, lo que aumenta la presión en el lado del agua salada. Luego, el agua presurizada se utiliza para impulsar una turbina y generar electricidad.
La compañía eléctrica noruega Statkraft está probando ósmosis retardada por presión en una planta piloto en las afueras de Oslo y también está trabajando para desarrollar membranas más eficientes y duraderas. Los funcionarios de Statkraft dicen que su objetivo es convertir el 80 por ciento de la energía química disponible en electricidad. Cui dice que duda de que el enfoque pueda superar una eficiencia del 40 por ciento. En cuanto a la eficiencia, ciertamente somos mucho mejores, dice.
Para lograr una alta eficiencia, el grupo de Cui utilizó nanobarras de dióxido de manganeso para el electrodo positivo de su batería. El material da a los iones de sodio aproximadamente 100 veces más área de superficie para interactuar que los materiales de electrodos convencionales. Y la nanoestructura permite que los iones se adhieran y se desprendan rápidamente del electrodo, lo que hace que toda la batería sea más eficiente.
El equipo de Cui usó un electrodo de plata para unirse con los iones de cloro cargados negativamente. La plata, sin embargo, es prohibitivamente cara para implementaciones a gran escala, y también es tóxica, capaz de causar daño ambiental si se disuelve en el agua que se recicla a través de la batería. Cui dice que su grupo está buscando un sustituto, pero que puede ser difícil encontrar una alternativa.