NeoFronteras

Baterías de entropía

Área: Tecnología — lunes, 4 de abril de 2011

Unas baterías permitirían el uso de agua dulce y salada para producir energía eléctrica.

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La desembocadura del río amazonas sería un buen lugar para obtener energía. Fuente: NASA.

La entropía de es algo tan real como la energía, aunque no seamos conscientes de ello. La entropía es la medida de desorden de un sistema y en todo sistema cerrado siempre aumenta (segundo principio de la Termodinámica). Para producir energía incrementamos la entropía total. De este modo, si quemamos un trozo de carbón se producirá energía pero el resultado total de todo ello será un aumento del desorden. Pero para la reducción de entropía en un sitio también necesitamos gastar energía y lo hacemos a costa de aumentar la entropía en otro sitio.
Pongamos un ejemplo de esto último. Un vaso de agua pura y un cristal de sal contienen menos entropía que si los mezclamos. Pero si deseamos invertir la situación y volver al estado inicial tendremos que usar energía, por ejemplo evaporando el agua y condensándola de nuevo. Otro modo más eficiente desde el punto de vista energético es utilizar una membrana especial y hacer uso de la ósmosis inversa. Este sistema de la ósmosis inversa es el que se utiliza en las desaladoras industriales. En ellas se aplica una presión (gracias al uso de energía eléctrica) para separar agua dulce (realmente agua desionizada) de la salmuera.
Quizás fuese en esto en lo que pensaban unos investigadores de la Universidad de Stanford cuando ideaban un sistema para producir energía a partir del agua que llega al mar. Si hay que usar energía para separar el agua de la sal, ¿se podrá obtener energía al mezclar sal y agua? Este grupo de investigadores ha desarrollado una batería que produce electricidad gracias a la diferencia de salinidad entre el agua dulce y el agua marina.
Según Yi Cui, uno de los que participan en el proyecto, cualquier sitio en donde el agua dulce entra en contacto con el mar, como puedan ser las desembocaduras de los ríos o los estuarios, podrían ser sitios potenciales para la instalación de una central eléctrica basada en este sistema.
El factor teórico que limita el sistema es la cantidad de agua dulce disponible. Ya sabemos que la cantidad de agua marina es casi “ilimitada”, pero la de agua dulce no lo es.
Estos investigadores han calculado que si todos los ríos del mundo se aprovecharan para obtener electricidad de este modo, se podría generar un 13% del total de la demanda de energía eléctrica de todo el mundo.
La batería que hace posible esto es bastante simple y consiste en dos electrodos sumergidos en un líquido que contiene iones, es decir, un electrolito. En el agua marina puede actuar de electrolito y los principales iones presentes en ella son los de cloro y sodio, que son los constituyentes de la sal ordinaria.
Inicialmente la batería se rellena con agua dulce y se aplica una pequeña corriente para cargarla. Esto hace que los iones de cloro y sodio presentes en los electrodos pasen al agua dulce.
Entonces el agua dulce es reemplazada poco a poco por agua marina. Como el agua marina es más salada, pues contiene entre 60 y 100 veces más iones que la dulce, se incrementa el potencial eléctrico o voltaje entre los electrodos. Esto se debe a que hay una diferencia de potencial entre las dos concentraciones distintas de iones. Los iones de cloro viajan al electrodo negativo (de plata) y los de sodio al positivo (de dióxido de manganeso).
Según aumenta la concentración de agua salada llega un momento en el que los electrodos no pueden acomodar más iones. Esta fase permite producir energía eléctrica, pero en mayor cuantía que la que se necesitó para cargar la batería en primera instancia. Una vez se produce la descarga completa, el agua salada es desalojada y reemplazada lentamente por agua dulce. Esto reduce la diferencia de potencial entre los electrodos que carga la batería y el ciclo empieza de nuevo.
El voltaje depende de la concentración de iones de sodio y cloro presentes. Si la carga se produce a bajo voltaje en el agua dulce, la descarga en agua salada se efectúa a un voltaje mayor y esto permite una ganancia de energía, ya que se saca más energía de la que se pone. La clave es que se necesita intercambiar el líquido de la batería, es decir, el electrolito de la misma.

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Esquema de funcionamiento de la batería. Fuente: AEC.

En los experimentos realizados se usó agua del Pacífico de la costa de California y agua dulce del lago Donner de Sierra Nevada. En esos experimentos se alcanzó un rendimiento del 74% a la hora de convertir la energía potencial del sistema en energía eléctrica, pero Cui cree que con modificaciones simples se podría alcanzar una eficacia del 85%.
El electrodo positivo de la batería está hecho de nanobastones de dióxido de manganeso. Las nanoestructuras aumentan en 100 veces el área de la superficie disponible para la interacción de los iones sodio comparado con otros materiales. Los nanobastones hacen posible que estos iones se muevan hacia dentro y hacia fuera del electrodo con facilidad, aumentado así la velocidad total del proceso.
Otros grupos de investigadores han investigado las posibilidades del uso de diferencias de salinidad entre aguas para producir electricidad, pero en esos sistemas se requería que los iones se movieran a través de membranas. Pero las membranas son frágiles y esos sistemas caros. El nuevo sistema sería más resistente y además usa ambos iones para producir energía.
Estos investigadores tienen en mente el posible impacto medioambiental que tendría el uso del sistema que están desarrollando. La elección del dióxido de manganeso como electrodo positivo se debe en parte a que no es perjudicial para el medio ambiente. Recordemos que las desembocaduras de ríos y los estuarios como posibles sitios a la hora de instalar estas baterías son áreas sensibles medioambientalmente.
Según Cui se puede elegir un sitio a cierta distancia (kilómetros) de los hábitats críticos, pues no hay necesidad de perturbar el sistema al completo. Sólo se necesita desviar algo de agua del río para hacerla pasar por el sistema antes de que alcance mar y luego devolverla al sitio donde estaba destinada.
Según estos investigadores el impacto medioambiental sería pequeño. El agua que saldría del sistema sería una mezcla de agua salada y agua dulce y se liberaría en sitios en donde esa mezcla ya se da. Todo el proceso se realizaría a una temperatura ambiente.
El problema, de momento, es que el electrodo negativo que es de plata, un material demasiado caro como para que sea usado con fines prácticos en un sistema comercial.
El grupo ha estudiado diversas regiones del mundo en donde sería muy rentable el uso de su batería. La desembocadura del río Amazonas sería uno de esos lugares, pero hay otros lugares igualmente buenos situados en Canadá, EEUU, África e India.
Pero los ríos no son la única fuente de agua dulce y tampoco es necesario que el agua esté limpia. Las aguas grises y las aguas residuales previamente tratadas podrían usarse igualmente.
Una central o planta basada en estas baterías que use 50 metros cúbicos de agua dulce por segundo produciría una potencia de 100 megavatios, suficientes como para proporcionar energía a 100.000 habitantes.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.

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4 Comentarios

  1. pokor:

    al final del párrafo 9 la frase “Según aumenta la concentración de agua salada llega un momento en el que los iones de los electrones son descargados en el agua salada cuando los electrodos reciben más iones de los que pueden acomodar.” no se entiende. Supongo que será una errata y que deseaba escribir: “Según aumenta la concentración de agua salada llega un momento en el que los electrones de los iones son descargados en el agua salada cuando los electrodos reciben más iones de los que pueden acomodar.”. De todas formas creo que carece de sentido, en todo caso al acomodar iones en el electrodo se transferirán los electrones a éste. Agradecería que me aclarara la duda.

    Paralelamente se me ocurre un “pero” al sistema. Sería necesario el empleo de mayor cantidad de agua dulce que salada, limitando la efectividad del método, verdad?

  2. MayNi2011:

    Hola, en primer lugar enhorabuena por el post. Todo lo que sea generar energía de forma limpia y que no contamine son alternativas que todo el mundo deberíamos apoyar. Si con estas baterías y con la ayuda del agua dulce y salada (sobre todo esta ultima), podría generar cantidades considerables de energia sería todo un éxito. Así que pues “animo” a seguir investigando y el proyecto llegue a buen puerto.

    Un placer

    MayNi2011

  3. NeoFronteras:

    Estimado pokor:
    Obviamente se trataba de un error, debía ser electrodos, no electrones. Se ha corregido y además se ha reescrito para que se entienda mejor.

  4. pokor:

    muchas gracias por la aclaración

    un cordial saludo

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