Energía azul
La energía azul o potencia osmótica es la energía obtenida por la
diferencia en la concentración de la sal entre el agua de mar y el agua
de río. El residuo en este proceso es únicamente agua salobre. Esta
fuente de energía renovable presenta un gran potencial en regiones
con ríos caudalosos: En los Países Bajos, por ejemplo, más de 3300
m³ de agua dulce por segundo desembocan en el mar como promedio.
El potencial energético es por lo tanto de 3300 MW, suponiendo 1
MW/m³ de agua fresca por segundo.
Dos tecnologías complementarias, basadas en la utilización de
membranas están actualmente en desarrollo: la ósmosis por presión
retardada (PRO: pressure retarded osmosis) y la electrodiálisis inversa
(RED: Reverse ElectroDialysis).
W : agua de río; W : agua de mar;
1
2
La ósmosis por presión retardada utiliza tecnologías basadas en poner
M: membrana; O: proceso osmótico;
en contacto los dos fluidos(agua de río y agua de mar) a través de una
P: presión obtenida.
membrana específica que permite pasar el agua, pero no las sales.
Esto genera una diferencia de presión que puede aprovecharse en una
turbina. Una planta prototipo funciona desde el año 2009 en Tofte (Noruega), 1 desarrollada por Statkraft,
demostrando el potencial de esta fuente de energía renovable, que tiene la ventaja de basarse en tecnologías
similares a las de ósmosis inversa, difiriendo fundamentalmente en el tipo de membrana a utilizar.
La electrodiálisis inversa se ha probado extensamente en condiciones de laboratorio. Una membrana nueva,
barata, basada en polímeros eléctricamente modificados del polietileno, le ha dado una nueva oportunidad para
su uso comercial. El principal impulsor de esta tecnología es la empresa REDStack, con membranas de
FUJIFilm. Un módulo con una capacidad de 250 kilovatios tiene el tamaño de un contenedor. En 2005 una
planta de 50 kilovatios se construyó en un sitio de prueba costero en Harlingen,(Países Bajos), operando con
éxito.
Índice
Origen e historia
Conceptos básicos del gradiente de salinidad
Métodos
Ósmosis retardada
Electrodiálisis inversa
Método Capacitivo
Nanotubos de nitruro de boro
Efectos negativos
Bibliografía
Véase también
Enlaces externos
Origen e historia
En 1954, Pattle sugirió que existía una fuente de energía aún no descubierta en la interfaz en que se mezcla el
agua de río con la del mar, en términos de pérdida de presión osmótica. No fue hasta mediados de los 70 en
donde Loeb desarrolla un método para explotar este tipo de energía mediante membranas selectoras
permeables.
El método que genera potencia con el método de ósmosis por presión retardada fue inventado por el Profesor
Sidney Loeb en 1973 en la universidad Ben-Gurion de Negev, Beersheba, Israel. La idea vino al profesor
Loeb, en parte, mientras observaba el río Jordán fluyendo dentro del mar muerto. El quería extraer la energía
de mezclar ambos tipos de soluciones acuosas (siendo el río Jordán una y el mar muerto la otra) que sería un
completo desperdicio en su proceso de mezclado natural. En 1977 profesor Loeb inventó el método de
producir potencia a través del método de motor térmico de electrodiálisis inversa.
Las tecnologías han sido confirmadas en condiciones de laboratorio. Han sido desarrolladas en el área
comercial en Holanda (RED) y Noruega (PRO). El costo de las membranas ha sido el principal obstáculo.
Una nueva, membrana de bajo costo, basada en plástico de polietileno eléctricamente modificado, hace más
fácil la integración este tipo de plantas a su uso comercial. Otros métodos han sido propuestos y se encuentran
actualmente en desarrollo. Entre ellos, un método basado en tecnología de capacitadores eléctricos de doble
capa y un método basado en la diferencia de presión de vapor.
Conceptos básicos del gradiente de salinidad
La energía de gradiente de salinidad es una alternativa que crea
energía renovable y sostenible mediante el uso de procesos
naturales. Esta práctica no contamina ni libera emisiones de
dióxido de carbono (CO2).
La energía del gradiente de salinidad se fundamenta en el uso
de la diferencia de presión osmótica entre agua dulce y agua de
mar. La presión osmótica es el potencial químico de soluciones
concentradas y diluidas de sal. Al observar las relaciones entre
la presión osmótica alta y baja, las soluciones con mayores
concentraciones de sal tienen una presión más alta.
Existen diferentes generaciones de poder de gradiente de
salinidad, pero una de las más comúnmente discutidas es la
ósmosis retardada con presión (PRO). En este método el agua
de mar se bombea a una cámara de presión donde la presión es
menor que la diferencia entre la presión de 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.
Clasificación del tipo de agua según
contenido de sal disuelta (en partes por mil)
Por ejemplo, si se tienen dos soluciones, siendo A agua salada
y B agua dulce y estas se encuentran separadas por una
membrana, entonces solo las moléculas de agua pueden pasar 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. La presión impulsa las turbinas y alimenta el generador que produce la
energía eléctrica.
Métodos
Si bien la mecánica y los conceptos de la potencia del gradiente de salinidad aún se están estudiando, este tipo
de energía se ha implementado en varios lugares diferentes. La mayoría de estos son experimentales, pero
hasta ahora han sido predominantemente exitosos. Las diversas compañías que han utilizado este poder
también lo han hecho de muchas maneras diferentes, ya que hay varios conceptos y procesos que aprovechan
el poder del gradiente de salinidad.
Ósmosis retardada
Un método para utilizar la energía del gradiente de salinidad es
la ósmosis retardada por presión. En este método, el agua de mar
se bombea a una cámara de presión que está a una presión
inferior a la diferencia entre las presiones de agua salina y agua
dulce. El agua dulce también se bombea 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 gira una turbina que proporciona
energía cinética.
Esquema simplificado del diagrama de
Este método está siendo estudiado específicamente por la
generación vía ósmosis retardada
empresa noruega Statkraft, que calculó que hasta 2.85 GW
estarían disponibles a partir de este proceso en Noruega.
Statkraft ha construido el primer prototipo de planta de energía
PRO en el fiordo de Oslo que fue inaugurado por la Princesa Mette-Marit de Noruega el 24 de noviembre de
2009. Su objetivo es producir suficiente electricidad para alumbrar y calentar una pequeña ciudad en cinco
años. Al principio, producirá un pequeña cantidad de 4 kilovatios, suficiente para calentar un hervidor de agua
grande, pero para 2015 el objetivo era de 25 megavatios, lo mismo que un pequeño parque eólico. En enero de
2014, sin embargo, Statkraft anunció que no continuaría este piloto.
Electrodiálisis inversa
Un segundo método que se está desarrollando y estudiando es la electrodiálisis inversa o la diálisis inversa, que
es esencialmente la creación de una batería de sal. Este método es un arreglo de membranas de intercambio de
aniones y cationes alternantes puede usarse para generar energía eléctrica a partir de la energía libre del agua
de río y de mar
La tecnología relacionada con este tipo de método todavía está en sus etapas iniciales, a pesar de que el
principio fue descubierto en la década de 1950.
Método Capacitivo
Un tercer método es el método capacitivo de Doriano Brogioli, que es relativamente nuevo y hasta ahora solo
se ha probado en escala de laboratorio. Con este método, se puede extraer energía de la mezcla de agua salina
y agua dulce cargando cíclicamente los electrodos en contacto con el 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 completado 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 manera que la tensión sobre los electrodos aumenta. La etapa de descarga que sigue es por
lo tanto capaz de entregar una cantidad relativamente alta de energía.
Físicamente, se tiene que en un condensador con carga eléctrica, hay 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 hecho aumenta la energía potencial eléctrica en el
condensador.
Electrónicamente, 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 condensador, esto reduce la capacitancia,
por lo que el voltaje debe aumentar, ya que el voltaje es igual a la relación de carga a capacitancia.
Nanotubos de nitruro de boro
Un equipo de investigación construyó un sistema experimental que usa nitruro de boro que produce mucha
más potencia que el prototipo de Statoil. Se 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 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 fue capaz de generar una corriente eléctrica del orden de un
nanoamperio. Los investigadores afirman que esto es 1000 veces el rendimiento de otras técnicas conocidas
para cosechar energía osmótica y hace que los nanotubos de nitruro de boro sean una solución
extremadamente eficiente para cosechar la energía de los gradientes de salinidad para obtener energía eléctrica
utilizable.
El equipo afirmó que una membrana de 1 metro cuadrado podría generar alrededor de 4 kW y ser capaz de
generar hasta 30 MWh por año.
Efectos negativos
Los ambientes marinos y fluviales tienen diferencias obvias en la calidad del agua, por ejemplo, la salinidad.
Cada especie, animal o vegetal, está adaptada para sobrevivir en ambientes ya sean marinos, salobres o de
agua dulce. Hay especies que pueden tolerar ambientes mixtos, 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 a las aguas circundantes, si se realiza en grandes cantidades y sin regularidad, provocará
fluctuaciones de salinidad. Si bien es habitual que exista alguna variación en la salinidad, especialmente
cuando el agua dulce 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 medio acuático pueden dar como resultado hallazgos de baja
densidad de animales y plantas debido a la intolerancia a extremas bajas o alzas repentinas de salinidad. De
acuerdo con las opiniones ecologistas prevalecientes, los operadores de 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 hacia el mar y liberándola en
la capa intermedia, lejos de los ecosistemas de la superficie y el fondo.
El impacto de las estructuras de toma de agua son una preocupación debido a los grandes volúmenes de agua
de mar y de río utilizados en los esquemas PRO y RED.
Bibliografía
Loeb, Sidney (1975). Osmotic Power Plants. Science 189, 654-655.
Loeb, Sidney (1998). Energy Production at the Dead Sea by Pressure-Retarded Osmosis:
Challenge or Chimera? Desalination 120, 247-262.
Norman, Richard S. (1974). Water Salination: A Source of Energy. Science 186, 350-352.
Achilli, Andrea, Cathb, T.Y., Childress, A.E. (2009), Power generation with pressure retarded
osmosis: An experimental and theoretical investigation, Journal of Membrane Science 343,
42–52.
Thorsen, T., Holt, T. (2009), The potential for power production from salinity gradients by
pressure retarded osmosis, Journal of Membrane Science 335, 103–110.
Nijmeijer, K., Metz, S. (2010), Salinity gradient energy, Sus. Sci. and Eng. 2, 95–139.
1. www.statkraft.com (https://web.archive.org/web/20120708094207/http://www.statkraft.com/ener
gy-sources/osmotic-power/prototype/)
Véase también
Energías renovables
Energía marina
Energías renovables en la Unión Europea
Energías renovables en Alemania
Ósmosis forzada
Pila de concentración
Enlaces externos
Prototipo Statkraft (https://web.archive.org/web/20120708094207/http://www.statkraft.com/ener
gy-sources/osmotic-power/prototype/)
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