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

Un sistema de energía solar elimina la sal del agua a un ritmo que sigue de cerca los cambios en la energía solar. A medida que la luz del sol aumenta a lo largo del día, el sistema acelera su proceso de limpieza y se ajusta automáticamente a cualquier cambio repentino de la luz del sol, por ejemplo, hacia abajo en respuesta a una nube que pasa o hacia arriba tan pronto como el cielo se aclara.

Debido a que el sistema puede reaccionar rápidamente a cambios sutiles en la luz solar, maximiza la eficiencia de la energía solar, produciendo grandes cantidades de agua limpia a pesar de las variaciones en la luz solar a lo largo del día. A diferencia de otros diseños de desalinización que funcionan con energía solar, el sistema del MIT no requiere baterías adicionales para el almacenamiento de energía ni un suministro de energía adicional, como el de la red.

Los ingenieros probaron prototipos a escala comunitaria en pozos de agua subterránea en Nuevo México durante seis meses, operando en condiciones climáticas y tipos de agua variables. El sistema utilizó un promedio de más del 94 por ciento de la energía eléctrica generada por los paneles solares del sistema para producir 5.000 litros de agua por día independientemente del clima y la luz solar disponible.

Amos Winter dice: “Las tecnologías de desalinización tradicionales requieren energía estable y almacenamiento en batería para suavizar una fuente de energía variable como la solar. Al cambiar constantemente el consumo de energía en sincronía con el sol, nuestra tecnología utiliza energía solar para crear agua de manera directa y eficiente”, dice Amos Invierno. Profesor Germeshausen de Ingeniería Mecánica y Director del Centro de Investigación e Ingeniería Global (GEAR) K. Lisa Yang en el MIT. “Poder producir agua potable a partir de fuentes renovables, sin necesidad de almacenamiento en baterías, es un gran desafío. Y lo hemos logrado”.

El sistema está diseñado para tratar agua subterránea salobre, una fuente de agua salada que se encuentra en depósitos subterráneos y más frecuente que los recursos de agua subterránea dulce. Los investigadores ven las aguas subterráneas salinas como una enorme fuente sin explotar de agua potable potencial, con especial énfasis en las reservas de agua dulce en algunas partes del mundo. Imaginan que el nuevo sistema renovable y sin baterías podría proporcionar agua potable muy necesaria a bajo costo, especialmente a las comunidades del interior con acceso limitado al agua de mar y a la red eléctrica.

“La mayoría de la población vive lo suficientemente lejos de la costa como para que el agua de mar desalinizada nunca pueda llegar a ellos. Como resultado, dependen en gran medida del agua subterránea, especialmente en áreas remotas y de bajos ingresos. Y desafortunadamente, ese agua subterránea está aumentando cada vez más. Más salado debido al cambio climático”, dice Jonathan Bessett, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica del MIT. “Esta tecnología puede llevar agua limpia, sostenible y asequible a zonas desatendidas de todo el mundo”.

Los investigadores detallan el nuevo sistema en un artículo publicado hoy. agua de la naturaleza. Los coautores del estudio son Bassett, 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 postdoctorado del MIT Wei He, informaron a principios de este año. El sistema estaba destinado a purificar el agua mediante “electrodiálisis discontinua flexible”.

La electrodiálisis y la ósmosis inversa son los dos métodos principales utilizados para purificar el agua subterránea salobre. Con 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 eliminar iones de sal mientras se bombea agua a través de una pila de membranas de intercambio iónico.

Los científicos han analizado ambas formas de obtener energía a partir de fuentes renovables. Pero esto ha sido particularmente desafiante para los sistemas de ósmosis inversa, que tradicionalmente funcionan a un nivel de potencia constante incompatible con fuentes de energía naturalmente variables como el sol.

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

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

Cuando el equipo probó el sistema en el campo, pudo cambiar 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 generada por los paneles solares, que el equipo estimó que era un 91 por ciento más alta que los sistemas convencionales de electrodiálisis que funcionan con energía solar.

Aún así, los investigadores sintieron que podían hacerlo mejor.

“Sólo podíamos contar cada tres minutos, y en ese momento, literalmente podía aparecer una nube y bloquear el sol”, dice Winter. “El sistema puede decir: ‘Necesito funcionar con esta potencia superior’. Pero parte de esa energía ha disminuido repentinamente porque ahora hay menos luz solar, por lo que tenemos que complementar esa energía con baterías adicionales”.

Órdenes solares

En su último trabajo, los investigadores buscaron eliminar la necesidad de baterías, reduciendo el tiempo de respuesta del sistema a una fracción de segundo. El nuevo sistema puede actualizar su tasa de limpieza de tres a cinco veces por segundo. Un tiempo de respuesta más rápido permite que el sistema se ajuste a los cambios en la luz solar a lo largo del día sin interrumpir la energía con fuentes de alimentación adicionales.

La clave para una desalación más ágil es una estrategia de control sencilla, ideada por Bessette y Pratt. La nueva estrategia es de “control de corriente comandado por flujo”, en la que el sistema detecta primero la cantidad de energía solar producida por los paneles solares del sistema. Si los paneles producen más energía de la que utiliza el sistema, el controlador automáticamente “ordena” al sistema que reduzca su bombeo, empujando más agua a través de la pila de electrodiálisis. Al mismo tiempo, el sistema desvía parte del exceso de energía solar aumentando la corriente eléctrica suministrada a la chimenea, para eliminar más sal del agua que fluye rápidamente.

“Digamos que el sol sale cada pocos segundos”, explicó Sarma. “Entonces, tres veces por segundo, miramos los paneles solares y decimos: ‘Oh, tenemos más energía; aumentemos un poco nuestro caudal y nuestra corriente’. Cuando volvamos a mirar y veamos que todavía hay más energía, la recuperaremos, podremos igualar nuestro consumo de energía con la energía solar disponible durante todo el día y lo más rápido posible, menos carga de batería que necesitamos”.

Los ingenieros incorporaron la nueva estrategia de control en un sistema totalmente automatizado que dimensionaron para tratar una cantidad diaria de agua subterránea salina que sería suficiente para abastecer a una pequeña comunidad de unas 3.000 personas. Ejecutaron el sistema durante seis meses en varios pozos del Centro Nacional de Investigación de Aguas Subterráneas Salobres en Alamogordo, Nuevo México. A lo largo de la prueba, el prototipo operó bajo una amplia gama de condiciones solares, utilizando más del 94 por ciento de la energía eléctrica del panel solar, en promedio, para limpiar directamente la electricidad.

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

Los ingenieros planean seguir probando y ampliando el sistema con la esperanza de proporcionar agua potable de bajo costo y totalmente alimentada por energía solar a grandes comunidades e incluso a municipios enteros.

“Si bien este es un importante paso adelante, todavía estamos trabajando diligentemente para desarrollar métodos de limpieza más sostenibles y de menor costo”, dice Bassett.

“Ahora nos centramos en probar, optimizar la fiabilidad y desarrollar una línea de productos que pueda proporcionar agua limpia utilizando fuentes renovables a múltiples mercados en todo el mundo”, añade Pratt.

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Fuente: Uco Digital