Casi todos los días nos enteramos del descubrimiento de una nueva forma de energía, revelada desde algún medio de comunicación de masas y que está destinada a revolucionar la industria. Sin una buena comprensión de la ciencia, la ingeniería y los necesarios inversores financieros involucrados, ni los economistas, ni los ejecutivos ni los analistas de políticas gubernamentales tienen fácil discernir la publicidad tan exagerada como interesada de lo que es realmente factible.

A menudo, los artículos técnicos se utilizan para determinar la verosimilitud de los avances, con mayor o menor éxito dependiendo del prestigio de la revista en que se publican, de la reconocida fama de la institución que presenta la innovación o de cómo la empresa interesada es capaz de promocionar la última tecnología que se divulga.

Desde el punto de vista de la ingeniería, no es fácil enmarcar lo que se presenta en su exacto  contexto, sin caer el autobombo publicitario y por otra parte, el sector de la sociedad “lego estas materias”, espera que los ingenieros presenten la información utilizando metáforas, ejemplos e ilustraciones para describir con claridad lo que se presenta como algo definitivo para solucionar de una vez por todas las incertidumbres energéticas del futuro, seduciendo lo suficiente al curioso lector como para generar confianza en quien le envía el mensaje. La reacción de pavor ante la visión de una ecuación intercalada en un texto de estas características,  que se produce entre casi todas las personas que desconocen las disciplinas académicas de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas, es automática y eso ayuda poco a discernir la profundidad de los argumentos presentados en esos artículos

Hoy vamos a hablar de la ósmosis, de la energía osmótica como solución del futurodelagua, porque con agua se genera, y de los avances de la denominada “Energía Azul”, esperando no producir en ningún lector ese pánico al que nos acabamos de referir.

ENERGÍA AZUL: DEL COLOR DEL AGUA

La desembocadura del río es el lugar en que toda la energía de su corriente se libera en el mar. Sin hacer ruido, esa energía se disipa aprovechando el desorden creado en la interfase agua dulce-agua salada. Si los iones salinos se mueven poco en el agua salada, al unirse con la dulce se reparten, aumentando la entropía al liberarse la energía. Será el caudal del río quien defina la energía liberada: a mayor caudal, mayor energía. Si un litro de agua que entra en el mar disipa solo 2,4 kJ (menos que lo que se le puede sacar a un litro de gasolina), el Mississipi, con 18.000 m³/s de caudal medio en su desembocadura, disiparía 43 GW. La energía azul (potencial osmótica), se basa en la transformación de la energía libre asociada a la diferencia de salinidad en trabajo mecánico, utilizando para ello membranas semipermeables. Este trabajo mecánico, asociado al caudal en unas determinadas condiciones específicas de presión, se puede convertir en corriente eléctrica a través de una turbina en una planta osmótica.

Hay dos tecnologías complementarias para desarrollar la generación de energía mediante ósmosis

• Mediante ósmosis por presión retardada: la energía es generada al crear una gran presión en el agua salada. Desarrollada en Noruega, cuyos ríos son de un elevado caudal continuo.

• Mediante Electrodiálisis Inversa: produciendo una corriente eléctrica resultante de los procesos de oxidación y reducción que acontecen en los electrodos y usando una membrana basada en polímeros eléctricamente modificados del polietileno. Desarrollada en Holanda

• Ósmosis por presión retardada

Separadas por una membrana artificial de material plástico, las moléculas de sal del agua de mar hacen que el agua dulce pase a través de la membrana. Esto incrementa la presión del agua de mar que se utiliza para mover una turbina generadora de electricidad.

Esta es una técnica esbozada por Richard Pattle en 1954 y desarrollada por Sidney Loeb, quien, buscando cómo potabilizar el agua de mar encontró cómo generar energía eléctrica durante el proceso de desalinización, mediante la técnica denominada “ósmosis por presión retardada (OPR)”. Debido a los efectos de la crisis energética y de la creciente demanda de energía renovable o verde se está investigando en su desarroollo y optimización, pues no presenta los problemas de discontinuidad de la energía eólica o la solar.

Posteriormemte, Torleit Holt y Thor Thorsen trabajaron en la teoría de la  energía osmótica   y obtuvieron financiación de la empresdas noruega Statkraft. Una planta prototipo funciona desde el año 2009 en Tofte, desarrollada por Statkraft, avanzando en la investigación del potencial de esta fuente de energía renovable, que tiene la ventaja de basarse en tecnologías similares a las de ósmosis inversa, diferiendo fundamentalmente en el tipo de membrana a utilizar. Genera 4 kW/h.

La OPR es la energía del gradiente de salinidad obtenido por diferencia en la concentración salina entre el agua de mar y el agua dulce. Su fuerza es de 26.000 kPa. Eso es equivalente a una columna de agua de 270 m de altura. Sin embargo, la presión de trabajo óptima es solo la mitad, de 12 a 14 bar Por eso, antes de pasar por la membrana, el agua de mar se presuriza mediante un intercambiador de presión aproximadamente a la mitad de la presión osmótica, 12- 14 bar. Después de filtrarla, se hace pasar el agua dulce hacia el módulo de membrana. En este proceso se consigue entonces un exceso de agua de mar presurizada, que se divide en dos corrientes: un tercio de este agua de mar a presión se utiliza para la generación de electricidad en una turbina Pelton, y la parte restante pasa a través de un intercambiador de presión con el fin de presurizar el agua de mar entrante. El agua producida como desecho (salmuera) se vierte o bien en la desembocadura del río o en el mar

Cuanto mayor sea el gradiente salino entre las dos disoluciones, mayor será la presión que se pueda alcanzar, y cuanto mayor sea el caudal de agua que se alimente al sistema, mayor cantidad de energía se generará. Gracias al control de esta presión, aproximadamente la mitad de la energía teórica puede transformarse en energía eléctrica, obteniendo 1 MW por m3/s de agua dulce. Uno de los principales problemas de diseño para generar el   proceso es la compresión necesaria, cuyo consumo energético puede llegar a superar la energía producida. Este factor se ve resuelto con el empleo de los intercambiadores de presión, típicos de las instalaciones de ósmosis inversa.

El aspecto más importante de este tipo de instalaciones es la membrana.

Las membranas pueden definirse como una delgada película que separa dos fases, entre las que existe una diferencia de potencial químico. Actúan como una barrera selectiva al transporte de materia entre las dos fases. Las mebranas no son un material «pasivo», sino un material funcional. Su rendimiento en cuanto a caudales y selectividades, depende principalmente de la naturaleza de los elementos contenidos en las dos fases y de la fuerza directora que se aplica. Los poros pueden medirse en dimensiones atómicas (< 10 Å) hasta 100+ micrones.

La mebrana OPR debe reunir una serie de características como alta permeabilidad al agua pero baja a las sales, con una mínima resistencia de la capa soporte. Sin embargo debe tener alta resistencia al ensuciamiento y a la formación de costras. El proceso de ósmosis retardada a presión parece ser el contrario a la ósmosis inversa; mientras que ésta última emplea la presión hidráulica para vencer la presión osmótica de una disolución concentrada (agua de mar) para dar agua purificada, la primera utiliza la presión osmótica del agua de mar para salinizar el agua dulce e inducir presión hidráulica y, por tanto, energía. Esta similitud hizo que en los primeros desarrollos se emplearán membranas de ósmosis inversa, pero producían menos energía de la inicialmente esperada, debido fundamentalmente al grosor del soporte, a que no soportan una alta velocidad de flujo en la superficie y a que las sales se acumulan en las capas de membrana y reducen la diferencia de presión osmótica.

La rapidez con que la membrana moviliza los iones está relacionada con su número de poros y con su densidad. La presión a través de la membrana está relacionada con el espesor y el tamaño de los poros, pues cuanto más grandes sean, las diferencias de presión serán más pequeñas. La diferencia de presión osmótica es difícil de controlar en la naturaleza, por estar relacionados con la salinidad del agua de mar y el agua dulce o salobre que se considere.

Un gran avance en este sentido ha sido el desarrollo de membranas de ósmosis directa, que se acercan al comportamiento deseado para la retardada, por Hydration Technology Innovations. Asimismo Statkraft, junto con Osmotic Power, está desarrollando nuevas membranas, habiendo pasado de densidades de corriente de 0,1 a 3 W/m² en pocos años. De hecho, si se pudiera desarrollar una membrana con la misma permeabilidad que una de nanofiltración y con baja permeabilidad a las sales, así como una capa de soporte con la décima parte de grosor de las actuales, se podrán alcanzar valores de 30 W/m², en este caso se obtendría una producción de energía cercana a los 3 kWh/m³. Para que el sistema sea rentable la potencia minima de energia a obtener debe ser de 5 W/m². En cualquier caso, lo prometedor de los resultados llevó a Statkraft a inaugurar en 2009 la primera planta prototipo en Tofte (Noruega) y a decidir la construcción de su primera planta industrial, aunque los resultados obtenidos hasta ahora no son muy prometedores y exigen seguir investigando a fondo para lograr quen esta energía sea competitiva.

Si se consiguen buenos resultados, Noruega, gracias a los elvados caudales estables de sus ríos,  podría generar el 10% de sus necesidades energéticas con la energía azul

• Electrodiálisis inversa

Las protagonistas de esta tecnología son un par de membranas permeables al agua o a los iones de un determinado signo. Catiónicas y aniónicas, en función de a quien cierren el paso. Estas membranas están compuestas de polímeros similares a las resinas de intercambio iónico.

El invento funciona mediante un paquete dividido en compartimentos ocupados alternativamente por membranas catiónicas y aniónicas sobre las que fluye agua dulce y agua salada, de manera que en cada uno de los compartimentos se encuentre agua con concentración distinta de la del compartimento contiguo. Por difusión, los iones se esparcen de cada compartimento con agua salada a los dos adyacentes, en los que las membranas provocan que entren iones de signo opuesto. En todo el paquete se produce por lo tanto una diferencia de potencial captada con dos electrodos situados a los extremos.

Cuando se acoplan muchos paquetes en serie, forman una  pila alimentada por agua salada cuya tensión entre electrodos llega ser de decenas de voltios. En los compartimentos  extremos, donde se recoge la corriente de los electrodos, la tensión debe ser suficiente para que se provoque un proceso de óxidación-reducción, que es el que permite que la corriente pase.

La operación es muy similar a la de una batería, aventajando a la técnica de ósmosis con presión retardada en que no requieren una turbina para funcionar. Recientemente, una universidad en Suiza, la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), escuela muy respetada, publicó un artículo en la revista Nature sobre un gran avance en tecnología de membrana aplicada a la electrodiálisis inversa

El nuevo nano-generador osmótico utiliza una membrana ultradelgada de disulfuro de molibdeno (MoS2) de solo 0.65 nanómetros de espesor (1 nm = ). El poro es de 5 nm de diámetro, o sea más pequeño que cualquier virus conocido y más que la mayoría de polvo de carbón que obstruye los pulmones de las personas. Por eso no es fácil conseguir que la membrana se mantenga limpia

Aunque el potencial de la aplicación teórica de esta tecnología es enorme, todavía hay un buen número de importantes retos técnicos por resolver para asegurar su viabilidad: por ejemplo se necesitarían enormes extensiones de paquetes de membranas para generar energía suficiente… y aún no se ha probado hacer ni una gran superficie de ellas.

Una planta de energía azul puede  abastecer a unos 10.000 hogares, pero para ello se necesita disponer de una superficie de 500 ha de membrana montada en espiral

El coste energético estimado de la energía osmótica es comparable y competitivo con otras fuentes de energías renovables, como la undeomotriz, la mareomotriz o la eólica marina. Aunque, como ya se ha indicado, las membranas todavía requieren un mayor desarrollo, un análisis de costos basado en el mercado existente sitúa la energía osmótica como una de las energías con más potencial de futuro, con un coste estimado de 50-100 € /MWh

Sus ventajas residen en ser predecible y estable (no depende del clima), en que las tuberías van enterradas, por lo que no afectan al entorno, en que no genera gases de efecto invernadero ni tóxicos, evitando la construcción de presas, no afecta la abastecimiento de los núcleos poblados cercanos a su ubicación y dispone de una buena relación entre la superficie ocupada y la energía generada.

Sus inconvenientes más notables son el elevado coste de la producción de membranas adecuadas y la posible alteración de rutas de navegación de buques que transiten por los tramos fluviales afectados por la derivación de las aguas y la consiguiente disminución del caudal circulante en el río aguas abajo de la misma.

Como conclusión, la energía osmótica podría ser una de las energías renovables más usadas del furturo. Para ello hay que continuar investigando mejoras en ambos sistemas de generación de energía, sobre todo en todo lo relativo a las membranas. Es una energía con un coste en torno a 50-100 €/MWh, convirtiéndola en más económica que la energía solar o la eólica en mar abierto, y con la posibilidad de causar un menor impacto ambiental que éstas si se diseñan bien  las infraestructuras. Este tipo de investigación es vital para dar una alternativa viable a la energía más barata en término económicos, que es la energía nuclear y para reducir el uso de combustibles fósiles. Las escalas de tiempo involucradas para la producción comercial e industrial superan los 25 años. Como la energía nuclear sigue ahí garantizando la producción de energía a precios asequibles, hay tiempo para desarrollar este tipo de tecnologías.

Lorenzo Correa

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