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Energía Azul

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Es quizás una de las fuentes de energía verde menos explotadas. Cuando el agua salada y el agua dulce se mezclan en los estuarios, se produce un proceso químico que puede aprovecharse para generar electricidad.

Según una estimación, esta “energía azul” es tan abundante que podría satisfacer todas nuestras necesidades, si podemos encontrar una manera efectiva de aprovecharla. ¿Podría “azul” ser el nuevo verde?

Origen y Evolución de la energía azul

La energía azul fue propuesta por primera vez en 1954 por un ingeniero británico llamado R E Pattle. A veces se le llama “potencia osmótica”, ya que explota el fenómeno de la ósmosis.

No fue posible explotar la idea de Pattle para la generación de energía hasta la década de 1970. Fue entonces cuando los materiales artificiales para hacer membranas semipermeables estuvieron disponibles comercialmente. Un científico israelí llamado Sidney Loeb sugirió que podrían usarse en lo que él llamó “plantas de energía osmótica”; Loeb esperaba que pudieran aprovechar la energía liberada cuando el río Jordán se mezclara con el salado Mar Muerto.

¿Qué es la Energía Azul?

La Energía Azul o Potencia Osmótica es aquella energía que se obtiene de la diferencia de concentración de sal entre el agua que proviene del mar y el agua de los ríos, los expertos lo conocen como la diferencia de presión osmótica entre diferentes gradientes de salinidad. Esta fuente de energía renovable presenta un gran potencial en regiones con ríos caudalosos.

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¿Cómo se genera la energía azul?

La Energía Azul se produce actualmente de 3 formas:

  • Ósmosis Retardada por Presión
  • Electrodiálisis Inversa
  • Mezcla Capacitiva (CapMix)

La ósmosis retardada por presión alimenta las turbinas

El primer método, Ósmosis retardada por presión o PRO, es similar a la energía hidroeléctrica.

Cuando una membrana semipermeable separa dos soluciones con diferente salinidad, el agua atravesará la membrana para equilibrar la diferencia hasta que el sistema alcance el equilibrio. En una planta de energía PRO, el agua del río se bombea a un lado de la membrana y el agua de mar al otro. El flujo de agua dulce a través de la membrana genera una presión más alta en el lado del agua de mar, que puede usarse para alimentar una turbina.

Una instalación piloto en noruega ha demostrado que el método es factible y puede producir electricidad en entornos reales. En 2009, Statkraft abrió una planta basada en PRO con 2000 metros cuadrados de membrana en el Fiordo de Oslo. Sin embargo, la planta no era lo suficientemente rentable como para ser competitiva, y se cerró en 2013.

La salida fue de 5kW, la mitad de la potencia alcanzable en teoría. Ha habido sugerencias para comenzar la construcción de una planta PRO de 10MW en Australia, junto al río Brisbane, cuando haya membranas más eficientes disponibles.

Las membranas mismas son el factor clave para que el PRO sea rentable; más específicamente, se requieren procesos de fabricación más baratos y más eficientes.

Una idea, que parece tener algún mérito, es reemplazar los microporos con nanotubos creados a partir de dióxido de carbono en hornos de alta temperatura. Los nanotubos de carbono son más anchos que los microporos, no se obstruyen tan fácilmente, son más duraderos y ofrecen menos resistencia al flujo de agua. En teoría, las membranas de nanotubos de carbono podrían ser 1000 veces más eficientes que las basadas en polímeros, debido a una mayor eficiencia y una menor necesidad de mantenimiento. La dificultad radica en lograr una densidad de tubo lo suficientemente alta.

Es deseable que las membranas sean lo más lisas posible, para evitar que las algas y la materia orgánica se asienten. Las membranas lisas permiten un proceso más eficiente, ya que el pretratamiento del agua y la limpieza de las membranas cuestan energía.

Electrodiálisis inversa: una batería construida en el agua

PRO produce energía a partir de la presión. El segundo método, ElectroDiálisis Inversa o RED, desvía los iones en el agua para crear dos electrodos con un potencial eléctrico entre ellos.

RED también está basado en membranas, pero las membranas son diferentes. Varias membranas de intercambio aniónico y catiónico (permeables por iones de sodio+ y cloruro- respectivamente, pero no por agua) están conectadas en serie.

Cuando dicha membrana se coloca entre agua dulce y agua de mar, se producirá un flujo de iones. El agua de mar se mantiene en el medio, con una membrana aniónica en un lado y una membrana catiónica en el otro, y el agua del río en el exterior de ambas membranas. Esta configuración obliga a que los iones negativos de Cl- y positivos de Na+ se acumulen en direcciones opuestas. La separación de las cargas genera un potencial eléctrico, y el sistema actuará como una batería cargada por la diferencia de salinidad.

La salida de una sola membrana es limitada, pero la potencia se puede multiplicar apilando muchas membranas una encima de la otra. Gran parte de la investigación y el desarrollo de RED se trata de aumentar el número de membranas que trabajan juntas en un solo sistema.

RED ha sido un tema de investigación en la Universidad Tecnológica de Chalmers, en Gotemburgo, Suecia. El objetivo del proyecto Chalmers era producir suficiente energía para suministrar electricidad a la ciudad de Gotemburgo, pero tuvo dificultades con el crecimiento de algas en las membranas. La compañía holandesa REDstack, una empresa derivada del centro de investigación Wetsus, ha mostrado mejores resultados.

REDstack abrió una planta piloto de 50 kW en 2014 en Breezanddijk, en la calzada Afsluitdijk, que separa el lago Ijsselmeer del Mar del Norte (ver imagen arriba). El agua de ambos lados de la presa se bombea a través de tuberías, se filtra y se almacena en tanques dentro de la instalación. Cuando ha pasado a través de las membranas, el agua salobre resultante se libera nuevamente en el océano. No es probable que la producción comercial ocurra antes de 2020, pero la compañía cree que eventualmente se podría construir una instalación de 200 MW en el sitio.

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Con los dos métodos anteriores, la potencia de salida está determinada por la diferencia de salinidad entre las dos soluciones, la temperatura, la pureza del agua y las propiedades de la membrana específica. Cuanto mayor es la diferencia de salinidad, más eficiente es el proceso. Uno no necesariamente tiene que usar agua de río y agua de mar, el agua salada de diferentes concentraciones también funciona. Los procesos pueden aplicarse a los flujos de aguas residuales industriales salinas y devolver energía a la industria.

CapMix: dióxido de carbono en lugar de sal

Un tercer método se llama CapMix. Es probable que CapMix esté más lejos de un avance comercial, pero tiene mucho potencial. En resumen, los electrodos de un supercondensador están expuestos a concentraciones iónicas alternas: altas y bajas. Lo interesante es que se pueden utilizar soluciones de dióxido de carbono en el agua, lo que abre la oportunidad de utilizar gases de combustión emitidos por las centrales eléctricas en lugar de agua de mar como materia prima.

Al final, el avance de la energía azul dependerá de los métodos de fabricación de membranas más eficientes. Las nuevas membranas donde el tamaño de poro varía con la salinidad han mostrado resultados prometedores en el laboratorio, con un rendimiento más allá de lo que se consideró lograr. El desafío es ampliar estos resultados a membranas de tamaño de metro cuadrado sin que los costos aumenten por el techo.

Las plantas piloto en operación han verificado que los métodos están funcionando, y cuando la tecnología de membranas haya avanzado un poco más, la potencia del gradiente de salinidad estará lista para convertirse en una fuente de energía limpia y renovable donde sea que fluya un río hacia el mar.

Las membranas semipermeables

Existen varios métodos para controlar la difusión y cosechar la energía. Todos ellos están basados en ósmosis y membranas semipermeables.

Una membrana semipermeable permite que el agua pase libremente, pero actúa como una barrera para los solubles como la sal. Las membranas celulares que protegen las células vivas son un ejemplo de la naturaleza, pero se pueden fabricar membranas semipermeables sintéticas, por ejemplo, en forma de láminas de poliamida. Las membranas poliméricas se usan en muchas aplicaciones, como los tubos de diálisis. El tamaño de los poros determina la permeabilidad, y puede haber miles de millones de microporos en un centímetro cuadrado de membrana de polímero.

Ventajas de la Energía azul

  • El beneficio de la tecnología de energía azul es que no depende de factores externos como el viento o el sol.
  • La energía azul es una fuente de energía sin emisiones de CO2.
  • Es un proceso natural que se da en todo el mundo.
  • Cuando el agua dulce se mezcla con agua salada, se libera energía, y es posible cosechar esa energía y producir electricidad limpia y renovable.
  • Bajo impacto ecológico.

Desventajas de la Energía azul

  • Los costos van en contra de la energía azul. La construcción de una central de salinidad y una vez en funcionamiento, el precio del Megavatio-hora (MWh) será casi el doble del generado a partir de combustibles fósiles.
  • Las membranas también son de costosa producción y, es necesario obtener grandes extensiones para generar la presión necesaria y de esta manera genere un movimiento en la turbina.
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¿Cómo funciona la energía azul?

Para entender cómo funciona esto, imagine dos soluciones de agua con diferentes concentraciones, una sustancia disuelta con sal. Si estas dos soluciones están separadas por una delgada membrana “semipermeable” que deja pasar el agua pero no los iones de sal, entonces el agua pasará naturalmente del lado menos salado al más salado. El flujo de agua a través de la membrana genera presión en un lado que puede usarse para impulsar turbinas y generar energía.

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Esquema de la ósmosis por presión retardada. Se muestran el agua salada W2 y el agua dulce W1 separadas por una membrana M semipermeable, por la que pasan moléculas de agua de W1 hacia W2, incrementando la presión P que se usa para mover una turbina que genera electricidad.

Primera planta de energía azul

La primera planta de energía azul que utiliza ósmosis retardada por presión fue inaugurada en Tofte, Noruega, en 2009 por la empresa Statkraft, con una capacidad de generación de 4kW, una cifra pequeña en comparación con los 5,000kW típicos de una pequeña central nuclear. Pero aunque el proceso funcionó, la compañía descubrió que no era rentable: los dispositivos simplemente no producían suficiente energía para compensar los costos de construcción, operación y mantenimiento. Statkraft cerró la planta en 2013.

Resolviendo desafíos de energía/agua

La energía azul es solo la punta del iceberg cuando se trata del nexo energía/agua. En otras áreas del campo, los investigadores están trabajando en el desarrollo de membranas para un tratamiento de agua más eficiente, procesando orina para producir agua limpia e hidrógeno como subproducto, y mucho más.