pressure retardes osmosis PRO
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AMH XXIII CONGRESO NACIONAL DE HIDRÁULICA PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH “ENERGÍA OSMÓTICA” NUEVA FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA RENOVABLE Arvizu Zaragoza Ángel y Villanueva Pérez Neftalí Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, Instituto Politécnico Nacional. Calle Cerro Blanco N° 141, Col. Cimatario, Santiago de Querétaro, Querétaro, México. C.P. 76190 [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Generalidades En esta ponencia expondremos en una forma simple un sistema de energía alternativa renovable, que nos proporcionara energía eléctrica a través del choque entre el agua dulce y agua de mar en los deltas de los ríos, esta energía nos proporcionara un abastecimiento suficiente de electricidad para proporcionar luz a pequeñas poblaciones cercanas a un delta o playas de ciudades. Antecedentes Statkraft es la mayor empresa europea que desarrolla y genera energías renovables, dentro de ellas ésta la energía osmótica. El 24 de Noviembre de 2009, se inaugura el primer prototipo de energía osmótica en la ciudad de Oslo, Noruega. Esta nueva tecnología genera electricidad simplemente mediante la mezcla de agua dulce del Delta del río y la salada proveniente del Mar, esto se debe a la diferencia de densidades entre ambas, esta se ubicó donde corre el agua dulce hacia el mar El prototipo está destinado principalmente para pruebas y buscar objetivos de desarrollo, para posteriormente construirlas como plantas comerciales. En un principio la planta de energía osmótica o salada se ubicó donde corre el agua dulce hacia el mar. Introducción Existen varias leyes y variables físicas y químicas que tienen gran importancia en la generación de la energía osmótica para obtener energía eléctrica, siendo las siguientes: Conocer la penetración de la cuña salina aguas arriba del río, pues es función de las fuerzas de escurrimiento del río y las corrientes de penetración marinas, estas dependen de la pendiente del fondo, la velocidad y volumen de agua del río, penetración de las aguas salinas en el delta, las presiones ejercidas entre ambas, etc. En este caso es importante considerar la ley de estado, la cual toma en consideración la diferencia de la densidad entre las aguas del río y del mar, siendo función de la salinidad del agua del mar, la diferencia de temperatura y la diferencia de presión entre ambas. Hace 10 años que investigadores de Noruega, llevaron a cabo estudios sobre la generación de la energía osmótica, esta tecnología genera electricidad con el mezclado del agua dulce y salada, debido a la electrodiálisis inversa. Definición de la palabra delta Los investigadores Cameron y Prtchard definen el delta, como un cuerpo de agua de un río el cual desemboca al mar. Una definición más amplia nos menciona que son fracturas costeras ligadas a la desembocadura aguas arriba de los ríos, dentro de sus características tenemos principalmente: geológicas, morfológicas, hidrológicas e hidráulica marítimas, el flujo de agua se desplaza hacia el mar, después de las mezclas de agua dulce y salada en la zona superior del río. Fotografía 1. Delta Arcuate en Groenlandia, cerca de Narsarsuaq. Energia osmótica o salina o azul La Energía Osmótica es una nueva fuente inagotable de Energía Alternativa Renovable, es obtenida por la diferencia en la concentración de la sal entre el agua salada del mar y el agua dulce del río. Para generar esta energía se utiliza el método de la electrodiálisis inversa (ósmosis) con membranas de iones específicos, y cuyo residuo en este proceso es el agua salobre. Estos recursos energéticos son obtenidos en las distintas interacciones de la Hidráulica Fluvio-Marítima. Se le llama osmótica porque se basan en el fenómeno de la ósmosis. Se la llama azul, porque dependen de las aguas de los ríos que desembocan en el mar, y se la llama salina porque justamente aprovecha esta diferencia entre el agua dulce y la salada
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AMH XXIII CONGRESO NACIONAL DE H IDRÁULICA
PUERTO VALLARTA, JALISCO, MÉXICO, OCTUBRE 2014 AMH
“ENERGÍA OSMÓTICA” NUEVA FUENTE DE ENERGÍA ALTERNATIVA RENOVABLE
Arvizu Zaragoza Ángel y Villanueva Pérez Neftalí
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada, Instituto Politécnico Nacional.
Calle Cerro Blanco N° 141, Col. Cimatario, Santiago de Querétaro, Querétaro, México. C.P. 76190
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Generalidades
En esta ponencia expondremos en una forma simple un
sistema de energía alternativa renovable, que nos
proporcionara energía eléctrica a través del choque entre el
agua dulce y agua de mar en los deltas de los ríos, esta
energía nos proporcionara un abastecimiento suficiente de
electricidad para proporcionar luz a pequeñas poblaciones
cercanas a un delta o playas de ciudades.
Antecedentes
Statkraft es la mayor empresa europea que desarrolla y
genera energías renovables, dentro de ellas ésta la energía
osmótica. El 24 de Noviembre de 2009, se inaugura el
primer prototipo de energía osmótica en la ciudad de Oslo,
Noruega. Esta nueva tecnología genera electricidad
simplemente mediante la mezcla de agua dulce del Delta
del río y la salada proveniente del Mar, esto se debe a la
diferencia de densidades entre ambas, esta se ubicó donde
corre el agua dulce hacia el mar
El prototipo está destinado principalmente para pruebas y
buscar objetivos de desarrollo, para posteriormente
construirlas como plantas comerciales. En un principio la
planta de energía osmótica o salada se ubicó donde corre el
agua dulce hacia el mar.
Introducción
Existen varias leyes y variables físicas y químicas que
tienen gran importancia en la generación de la energía
osmótica para obtener energía eléctrica, siendo las
siguientes:
Conocer la penetración de la cuña salina aguas arriba del
río, pues es función de las fuerzas de escurrimiento del río
y las corrientes de penetración marinas, estas dependen de
la pendiente del fondo, la velocidad y volumen de agua del
río, penetración de las aguas salinas en el delta, las
presiones ejercidas entre ambas, etc.
En este caso es importante considerar la ley de estado, la
cual toma en consideración la diferencia de la densidad
entre las aguas del río y del mar, siendo función de la
salinidad del agua del mar, la diferencia de temperatura y la
diferencia de presión entre ambas.
Hace 10 años que investigadores de Noruega, llevaron a
cabo estudios sobre la generación de la energía osmótica,
esta tecnología genera electricidad con el mezclado del agua
dulce y salada, debido a la electrodiálisis inversa.
Definición de la palabra delta
Los investigadores Cameron y Prtchard definen el delta,
como un cuerpo de agua de un río el cual desemboca al
mar. Una definición más amplia nos menciona que son
fracturas costeras ligadas a la desembocadura aguas arriba
de los ríos, dentro de sus características tenemos
principalmente: geológicas, morfológicas, hidrológicas e
hidráulica marítimas, el flujo de agua se desplaza hacia el
mar, después de las mezclas de agua dulce y salada en la
zona superior del río.
Fotografía 1. Delta Arcuate en Groenlandia, cerca de
Narsarsuaq.
Energia osmótica o salina o azul
La Energía Osmótica es una nueva fuente inagotable de
Energía Alternativa Renovable, es obtenida por la
diferencia en la concentración de la sal entre el agua salada
del mar y el agua dulce del río. Para generar esta energía se
utiliza el método de la electrodiálisis inversa (ósmosis) con
membranas de iones específicos, y cuyo residuo en este
proceso es el agua salobre. Estos recursos energéticos son
obtenidos en las distintas interacciones de la Hidráulica
Fluvio-Marítima.
Se le llama osmótica porque se basan en el fenómeno de la
ósmosis. Se la llama azul, porque dependen de las aguas de
los ríos que desembocan en el mar, y se la llama salina
porque justamente aprovecha esta diferencia entre el agua
dulce y la salada
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Ecuaciones y variables físicas y químicas en
la generación de la energía osmótica para
obtener energía eléctrica.
La penetración del agua salada del mar aguas arriba de un
río que se comunica con el mar y nula marea, se realiza por
el movimiento ascendente de una corriente salina limitada y
definida debajo del agua del río. Este fenómeno es llamado
“Cuña Salina”. Las variables más importantes para su
formación son las obtenidas de las fuerzas de escurrimiento
del río y la corriente del mar que penetran aguas arriba del
río
La forma estática de este movimiento salino es llamado de
“Cuña Salina Confinada”. Aquí es importante conocer las
leyes de movimiento del frente salino, la deformación y
evolución del cuerpo principal del agua, y las fuerzas
efectivas que actúan en el desplazamiento de la Cuña
Salina
Características de la cuña salina confinada
Longitud de la cuña salina confinada ( ):
Es función de la velocidad del río oponiéndose contra el
avance de la cuña salina ( , a la velocidad densimetrica
( ) y a la profundidad del río (H). La ecuación que nos
proporciona esta longitud de la cuña confinada vale:
/ ) (1)
“A” es una variable que depende del número de Reynolds
densimetrico, siendo:
= / υ (2)
Donde “υ” es el coeficiente de viscosidad cinemática del
agua del mar.
Ilustración 1. Cuña salina moviéndose contra la
corriente del río.
Ilustración 2. Longitud de la cuña salina confinada.
Ecuaciones básicas
Dentro de las ecuaciones relacionadas con la hidráulica
fluvio-maritimas tenemos: ecuación de estado, ecuación de
la conservación de la masa y del momento, ecuación de la
conservación de la energía y de la vorticidad, siendo estas
las básicas.
Ecuación de estado
Aquí se toma en consideración la diferencia de la densidad
de los fluidos, los cuales son función de la salinidad,
temperatura y presión dentro del delta, es decir:
(3)
Dónde:
es la densidad de un fluido
es la temperatura
es la presión
Cabe mencionar que dentro de un delta del río, la densidad
del fluido varía de acuerdo al coeficiente de salinidad, el
cual es función de la temperatura, Tablas de KNUDSEN.
(1 – (4)
Siendo:
K
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Ilustración 3. Retraso de Tiempo en el mismo punto entre la
Marea del Mar y el Delta.
Ecuación de continuidad en el acceso a un
delta
La ecuación a través de la abertura de un delta
perpendicular a la costa con profundidad vertical variable,
es función de varias variables que son importantes para la
obtención de la ecuación de continuidad.
El valor promedio de la sección trasversal considera
solamente las variaciones en los ejes. “x” y “z” y cuya
ecuación es:
(5)
finalmente la ecuación promedio de la sección, sin incluir la
pendiente de la superficie, vale:
Ilustración 4. Acceso de Agua del Océano al Delta.
El ancho promedio en la desembocadura se obtiene por la
formula siguiente:
W (x, z) = (a – b) (7)
Sustituyendo las ecuaciones anteriores entre las secciones
“a” y “b” obtenemos:
dy (8)
Siendo esta ecuación la de continuidad, la cual se iguala o
cero obteniéndose:
Los valores promedio de las velocidades están en función
del ancho de la desembocadura, teniéndose:
a
b
a
b
wWwdy
uWudy
~
~
(10)
Finalmente obtenemos la ecuación de continuidad de
anchura del delta promedio que vale:
0~~
wW
zuW
x
(11)
Nomenclatura de las constantes y variables de las formulas:
h es la profundidad del fondo al nivel superior del agua, en
metros.
W es el ancho del delta, en metros.
Q es el gasto de descarga del delta, en
es el área superficial, en
, en
, en metros.
u es la velocidad de la partícula de agua en la dirección del
eje “X”,
w es la velocidad de la partícula de agua en la dirección del
eje “Y,
es la velocidad promedio del gasto hacia el delta,
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Ilustración 5. Croquis de funcionamiento de la planta
generadora de energía osmótica.
Fundamentos de la Energía Osmótica
Cuando se pone una membrana semipermeable, que retiene
los iones de sal pero permite el paso del agua entre dos
tanques que contienen agua dulce y agua salada
respectivamente, aparecerá un flujo de agua hacia el lado del
agua salada. Si el tanque de agua salada tiene un volumen fijo
la presión se incrementaría hasta un máximo teórico de 26
bares (equivalente a una columna de agua de unos 270 metros
de altura). La membrana semipermeable impide la entrada de
sedimentos y otras partículas que puedan encallar el sistema.
La presión osmótica se deriva a una turbina conectada a un
generador para que produzca energía eléctrica.
Dos formas de obtener energía osmótica
La ósmosis por presión retardada (PRO: Reverse Electro
Dialysis) utiliza tecnologías basadas en poner en contacto los
dos fluidos (agua de río y agua de mar) a través de una
membrana semipermeable que permite pasar el agua, pero no
las sales. Esto genera una diferencia de presión que puede
aprovecharse en una turbina. Una planta prototipo funciona
desde el año 2009 en Tofte (Noruega), desarrollada por
Statkraft.
La electrodiálisis inversa (RED: Reverse Electro Dialysis ) se
ha probado extensamente en condiciones de laboratorio. Una
membrana nueva, barata, basada en polímeros eléctricamente
modificados del polietileno, le ha dado una nueva
oportunidad para su uso comercial. En 2005 una planta de 50
kilovatios se construyó en un sitio de prueba costero en
Harlingen, (Países Bajos).
Fotografía 2. Planta prototipo para la generación de energía
osmótica, en la ciudad de Oslo, Noruega.
Ilustración 6. Planta generadora de energía osmótica.
Partes integrantes de la planta
La planta generadora de energía osmótica cuenta con dos
cámaras, una de ellas se llena con agua dulce y la otra con
agua salada, estando separadas ambas por una membrana
semipermeable. Las moléculas de sal del agua de mar
atraen el agua dulce a través de la membrana hacia la
cámara con agua salina, aumentando la presión de la
misma. Finalmente esa presión es aprovechada por una
turbina que genera electricidad.
El residuo en este proceso es agua salobre que tiene más sal
disuelta que el agua dulce, pero menos que el agua de mar.
Técnicamente, se considera agua salobre la que posee entre
0,5 y 30 gramos de sal por litro, es decir 0,5 a 30 partes por
mil.
Formulación física
La primera formulación física de este fenómeno fue
desarrollada por W. Badon-Ghyben, y sucesivamente en
forma independiente por A. Herzberg. La expresión
matemática es conocida como de Ghyben-Herzberg, que se
basa en el equilibrio de las presiones ejercida por el agua
dulce y salada.
La ecuación es la siguiente:
Z =
( )
Donde: z es el espesor del agua dulce por debajo del nivel
del mar, es la densidad del agua de mar, es la
densidad del agua dulce y h es el espesor de la zona
saturada de agua dulce, por encima del nivel del mar
Los dos espesores “h” y “z” están relacionados con las
densidades “ respectivamente del agua dulce y
del agua salada. Considerando una densidad de 1 g/cm3
para el agua dulce a 20 °C y 1,025 g/cm3 para el agua
salada, la ecuación puede ser simplificada a:
Z = 40 h
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Ventajas de la energía osmótica
Auto renovable, No contaminante, Silenciosa, Bajo costo de
materia prima, Disponible en cualquier clima y época del
año, enorme mercado potencial, gran capacidad de
generación eléctrica y posibilidad de compartir costos con
las plantas de tratamiento y desalinización de agua ubicadas
cerca de las costas
Desventajas de la energía osmótica
Impacto visual y estructural sobre el paisaje fluvio-
maritimo, localización puntual, dependiente de la unión del
río y el mar en cuanto a sus velocidades, traslado de energía
muy costoso, efecto negativo sobre la flora y fauna.
Conclusiones
El prototipo construido está destinado principalmente para
pruebas y buscar objetivos de desarrollo, para
posteriormente construirlas como plantas comerciales
dentro de algunos años.
Se considera que el potencial mundial de energía osmótica
será entre 1,600 a 1,700 TWh por año, equivalente al 50%
de la producción total de energía eléctrica de la Unión
Europea. En un principio la planta de energía osmótica o
salada serán ubicadas donde corre el agua dulce hacia el
mar.
Referencias
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