Como no necesita almacenar energía de forma costosa para cuando no hay luz solar, la tecnología podría proporcionar a las comunidades agua potable a bajo costo.

Jennifer Chu | Noticias del MIT

Los ingenieros del MIT han construido un nuevo sistema de desalinización que funciona al ritmo del sol.

El sistema, que funciona con energía solar, elimina la sal del agua a un ritmo que sigue de cerca los cambios en la energía solar. A medida que aumenta la luz solar durante el día, el sistema acelera su proceso de desalinización y se ajusta automáticamente a cualquier variación repentina de la luz solar, por ejemplo, disminuyendo la intensidad en respuesta a una nube que pasa o aumentando la velocidad cuando el cielo se despeja.

Como el sistema puede reaccionar rápidamente a los cambios sutiles de la luz solar, maximiza la utilidad de la energía solar y produce grandes cantidades de agua limpia a pesar de las variaciones de la luz solar a lo largo del día. A diferencia de otros diseños de desalinización impulsados ​​por energía solar, el sistema del MIT no requiere baterías adicionales para el almacenamiento de energía ni una fuente de alimentación complementaria, como la red eléctrica.

Los ingenieros probaron un prototipo a escala comunitaria en pozos de agua subterránea en Nuevo México durante seis meses, trabajando en condiciones climáticas y tipos de agua variables. El sistema aprovechó en promedio más del 94 por ciento de la energía eléctrica generada por los paneles solares del sistema para producir hasta 5.000 litros de agua por día a pesar de las grandes oscilaciones climáticas y de la luz solar disponible.

“Las tecnologías de desalinización convencionales requieren energía constante y necesitan almacenamiento en baterías para compensar una fuente de energía variable como la solar. Al variar continuamente el consumo de energía en sincronía con el sol, nuestra tecnología utiliza de manera directa y eficiente la energía solar para producir agua”, afirma Amos Winter, profesor de Ingeniería Mecánica de Germeshausen y director del Centro de Ingeniería e Investigación Global K. Lisa Yang (GEAR) del MIT. “Poder producir agua potable con energías renovables, sin necesidad de almacenamiento en baterías, es un desafío enorme. Y lo hemos logrado”.

El sistema está orientado a la desalinización de aguas subterráneas salobres, una fuente de agua salada que se encuentra en depósitos subterráneos y es más frecuente que los recursos de agua subterránea dulce. Los investigadores consideran que las aguas subterráneas salobres son una enorme fuente sin explotar de agua potable potencial, en particular porque las reservas de agua dulce están bajo presión en algunas partes del mundo. Prevén que el nuevo sistema renovable y sin baterías podría proporcionar agua potable muy necesaria a bajo costo, especialmente para las comunidades del interior donde el acceso al agua de mar y a la red eléctrica son limitados.

“La mayoría de la población vive tan lejos de la costa que la desalinización del agua de mar nunca podría llegar a ellos. Por lo tanto, dependen en gran medida de las aguas subterráneas, especialmente en regiones remotas y de bajos ingresos. Y, lamentablemente, estas aguas subterráneas se están volviendo cada vez más salinas debido al cambio climático”, dice Jonathan Bessette, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica del MIT. “Esta tecnología podría llevar agua limpia sostenible y asequible a lugares desatendidos en todo el mundo”.

Los investigadores detallan el nuevo sistema en un artículo que aparece hoy en Nature Water . Los coautores del estudio son Bessette, Winter y el ingeniero Shane Pratt.

Bomba y flujo

El nuevo sistema se basa en un diseño anterior, que Winter y sus colegas, incluido el ex posdoctorado del MIT Wei He, informaron a principios de este año . Ese sistema tenía como objetivo desalinizar agua mediante «electrodiálisis por lotes flexible».

La electrodiálisis y la ósmosis inversa son dos de los principales métodos utilizados para desalinizar el agua subterránea salobre. En la ósmosis inversa, se utiliza presión para bombear agua salada a través de una membrana y filtrar las sales. La electrodiálisis utiliza un campo eléctrico para extraer los iones de sal a medida que el agua se bombea a través de una pila de membranas de intercambio iónico.

Los científicos han intentado alimentar ambos métodos con fuentes renovables, pero esto ha sido especialmente complicado para los sistemas de ósmosis inversa, que tradicionalmente funcionan a un nivel de energía constante que es incompatible con fuentes de energía naturalmente variables como el sol.

Winter, He y sus colegas se centraron en la electrodiálisis, buscando formas de crear un sistema más flexible y “variable en el tiempo” que respondiera a las variaciones en la energía solar renovable.

En su diseño anterior, el equipo construyó un sistema de electrodiálisis que constaba de bombas de agua, una pila de membranas de intercambio iónico y un conjunto de paneles solares. La innovación de este sistema fue un sistema de control basado en modelos que utilizaba lecturas de sensores de cada parte del sistema para predecir la velocidad óptima a la que bombear agua a través de la pila y el voltaje que se debía aplicar a la pila para maximizar la cantidad de sal extraída del agua.

Cuando el equipo probó este sistema en el campo, pudo variar su producción de agua con las variaciones naturales del sol. En promedio, el sistema utilizó directamente el 77 por ciento de la energía eléctrica disponible producida por los paneles solares, lo que, según el equipo, era un 91 por ciento más que los sistemas de electrodiálisis alimentados con energía solar diseñados tradicionalmente.

Aun así, los investigadores consideraron que podrían hacerlo mejor.

“Solo podíamos calcular cada tres minutos y, en ese tiempo, una nube podría literalmente pasar y bloquear el sol”, dice Winter. “El sistema podría decir: ‘Necesito funcionar a esta alta potencia’. Pero parte de esa potencia ha disminuido repentinamente porque ahora hay menos luz solar. Por lo tanto, tuvimos que compensar esa energía con baterías adicionales”.

Comandos solares

En su último trabajo, los investigadores intentaron eliminar la necesidad de baterías, reduciendo el tiempo de respuesta del sistema a una fracción de segundo. El nuevo sistema es capaz de actualizar su tasa de desalinización de tres a cinco veces por segundo. El tiempo de respuesta más rápido permite que el sistema se ajuste a los cambios en la luz solar a lo largo del día, sin tener que compensar ningún retraso en la energía con fuentes de alimentación adicionales.

La clave para una desalinización más ágil es una estrategia de control más sencilla, ideada por Bessette y Pratt. La nueva estrategia es una de “control de corriente controlado por flujo”, en la que el sistema detecta primero la cantidad de energía solar que están produciendo los paneles solares del sistema. Si los paneles están generando más energía de la que utiliza el sistema, el controlador “ordena” automáticamente al sistema que aumente su bombeo, impulsando más agua a través de las pilas de electrodiálisis. Al mismo tiempo, el sistema desvía parte de la energía solar adicional aumentando la corriente eléctrica suministrada a la pila, para extraer más sal del agua que fluye más rápido.

“Digamos que el sol sale cada pocos segundos”, explica Winter. “Entonces, tres veces por segundo, miramos los paneles solares y decimos: ‘Oh, tenemos más energía; aumentemos un poco el caudal y la corriente’. Cuando volvemos a mirar y vemos que todavía hay más energía sobrante, la aumentamos de nuevo. A medida que hacemos eso, podemos hacer coincidir de manera muy precisa nuestra energía consumida con la energía solar disponible durante todo el día. Y cuanto más rápido hagamos esto, menos batería necesitaremos para almacenarla en búfer”.

Los ingenieros incorporaron la nueva estrategia de control en un sistema totalmente automatizado que dimensionaron para desalinizar agua subterránea salobre a un volumen diario suficiente para abastecer a una pequeña comunidad de unas 3.000 personas. Hicieron funcionar el sistema durante seis meses en varios pozos de la Instalación Nacional de Investigación de Desalinización de Aguas Subterráneas Salobres en Alamogordo, Nuevo México. Durante la prueba, el prototipo funcionó en una amplia gama de condiciones solares, aprovechando más del 94 por ciento de la energía eléctrica del panel solar, en promedio, para alimentar directamente la desalinización.

“En comparación con el diseño tradicional de un sistema de desalinización solar, redujimos la capacidad de batería necesaria en casi un 100 por ciento”, afirma Winter.

Los ingenieros planean realizar más pruebas y ampliar el sistema con la esperanza de abastecer a comunidades más grandes, e incluso a municipios enteros, con agua potable de bajo costo generada íntegramente con energía solar.

“Si bien este es un gran paso adelante, seguimos trabajando diligentemente para continuar desarrollando métodos de desalinización más sustentables y de menor costo”, afirma Bessette.

“Nuestro enfoque ahora está en probar, maximizar la confiabilidad y desarrollar una línea de productos que pueda proporcionar agua desalinizada utilizando energías renovables a múltiples mercados alrededor del mundo”, agrega Pratt.

El equipo lanzará una empresa basada en su tecnología en los próximos meses.