Analysis of energy production by salinity exchange porous electrodes

Abstract

La producción de energía eléctrica a partir de fuentes renovables supone uno de los retos necesarios para cambiar el actual sistema eléctrico mundial, que perjudica gravemente el medio ambiente de nuestro planeta, provoca desigualdades en la distribución de la energía y es una de las causas importantes del cambio climático. Gran parte de la investigación científica actual se centra en la búsqueda de nuevas fuentes de energía y la optimización de las ya existentes. Aunque la energía solar y eólica lideran en eficiencia las energías renovables, en las últimas décadas otras opciones van tomando relevancia. Entre ellas, la propuesta publicada inicialmente en 1950 y posteriormente en 1970 que plantea cómo la considerable diferencia de salinidad entre el agua de mar y el agua dulce (500 mM y 20 mM, respectivamente) podría usarse en la generación de energía eléctrica. Las fuentes de energía renovable que aprovechan esta diferencia de salinidades se conocen como energía azul. En el caso de la desembocadura de un río, se produce continuamente la mezcla de un cierto volumen de agua con poca salinidad (llamemos c1 a su concentración de sal) con un volumen mucho mayor de agua salada (concentración c2). La termodinámica nos dice que la difusión libre experimentada por los iones del agua de mar hacia el volumen de agua de río produce un aumento de entropía (más desorden que en la situación inicial en la que los volúmenes se encontraban separados). Y un aumento de entropía se traduce en una disminución de energía libre, como ocurre para un proceso espontáneo. Puede decirse que los iones del agua de mar pasan de una zona de mayor presión (es la presión osmótica, aproximadamente dada por la expresión de van’t Hoff, p2 = c2 RT ) a una de menor presión; esta diferencia es del orden de ∆p = (c2 − c1)RT , o aproximadamente 10 atm por cada tipo de ion (o alrededor de 20 atm para soluciones de cloruro sódico). Esta presión es equivalente a una columna de agua de 200 m. Por tanto, la energía perdida (que, en parte, queremos utilizar) sería ∆pV o aproximadamente 2 MJ por metro cúbico de agua mezclada. Si todo el caudal del río Guadalquivir (en promedio 164 m3 /s) pudiera aprovecharse para este fin, la potencia disponible sería superior a tres veces la consumida en la ciudad de Granada, la cual está en torno a 100 MW. De manera similar, para todo el planeta se estima que la potencia total que se podría extraer mediante estas técnicas alcanzaría 2 TW, que coincide con la demanda eléctrica anual.

Para poder extraer esta energía, la investigación actual se centra en la búsqueda de métodos eficientes. Entre ellos, destacan las técnicas que pueden considerarse recíprocas de las de desalinización como la electrodiálisis inversa (RED) y la ósmosis de presión retardada (PRO). A pesar de los considerables avances realizados en las técnicas citadas [8–10] estos son en su mayoría a escala de laboratorio. Además, presentan claros inconvenientes que deben ser resueltos, principalmente en relación con las membranas y su coste, así como la necesidad de utilizar convertidores adicionales, tales como turbinas para producir energía eléctrica de forma efectiva.

Este contexto ofrece oportunidades a tecnologías alternativas, en concreto, las que presentamos en este trabajo, denominadas técnicas capmix, destacando de entre ellas esencialmente dos, conocidas como CDLE (capacitive energy extraction based on double layer expansion methods) y CDP (capacitive energy extraction based on Donnan Potencial). En la primera, se tiene en cuenta que el potencial eléctrico en la interfase sólido/disolución iónica aumenta, si la carga es constante, al disminuir la fuerza iónica. Esta propiedad es ampliamente conocida en la ciencia de las interfases y sistemas coloidales y es debida a la expansión de la Doble Capa Eléctrica (DCE). Su origen es fácil de entender: la mayoría de las sustancias adquieren carga eléctrica cuando se ponen en contacto con un medio polar como el agua, por ejemplo, debido a la disociación de grupos ionizables superficiales. Por ello, las técnicas se basan en el hecho de que la DCE puede acumular una enorme cantidad de carga si el área superficial es suficientemente grande, y, además, su capacidad depende de forma significativa del contenido iónico del medio.