La emergencia climática y los desafíos de la humanidad
En un contexto de emergencia climática, la humanidad enfrenta dos grandes retos: la obtención de agua potable y el almacenamiento de energía renovable. Tradicionalmente, estos desafíos se han abordado por separado mediante la desalación por ósmosis inversa para producir agua potable y el uso de baterías para almacenar energía. Sin embargo, la combinación de ambas soluciones podría representar un avance significativo en la transición energética. Una tecnología emergente que promete integrar estas soluciones es la desalación por flujo redox (RFD, por sus siglas en inglés), un campo donde la Universidad de Nueva York ha realizado avances considerables recientemente.
¿Qué son las baterías de flujo redox?
Para entender la desalación por flujo redox, es importante conocer primero el concepto de baterías redox. Estas baterías almacenan energía en soluciones líquidas llamadas electrolitos, que contienen compuestos químicos capaces de cambiar de estado oxidado a reducido y viceversa. Durante el funcionamiento, dos tipos de electrolitos se bombean desde tanques separados a través de una celda electroquímica central. En esta celda, los electrolitos interactúan a través de una membrana de intercambio iónico, generando electricidad que puede ser utilizada o almacenada. Las baterías redox son especialmente útiles para el almacenamiento de energía renovable debido a su capacidad para soportar muchos ciclos de carga y descarga sin degradarse significativamente.
Esquema para un RFD de cuatro canales en modo de un solo paso con una A/A*, que representa reacciones electroquímicas de especies redox disueltas en soluciones de sales conductoras y canales separados por una membrana de intercambio catiónico (CEM) y una membrana de intercambio aniónico (AEM).
La nueva generación de baterías redox desalinizadoras
La desalación mediante flujo redox (RFD) es una técnica innovadora que combina la desalación de agua y el almacenamiento de energía en un solo sistema. En lugar de utilizar métodos tradicionales, RFD circula soluciones de sal y agentes redox a través de celdas electroquímicas. Las membranas de intercambio iónico permiten la transferencia selectiva de iones, extrayendo sal del agua de mar y produciendo agua dulce. Además de producir agua potable, el proceso RFD permite almacenar energía excedente de fuentes renovables en las moléculas redox, que luego puede ser liberada cuando sea necesario, funcionando como una batería.
Avances en la Universidad de Nueva York
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York han alcanzado un avance significativo en la desalinización mediante flujo redox (RFD), una técnica electroquímica emergente que no solo convierte agua de mar en agua potable, sino que también almacena energía renovable de manera rentable.
En un estudio publicado en Cell Reports Physical Science, el equipo de NYU Tandon, dirigido por el Dr. André Taylor, profesor de ingeniería química y biomolecular y director de DC-MUSE (Decarbonizing Chemical Manufacturing Using Sustainable Electrification), ha incrementado la eficiencia del sistema RFD. Optimizaron las tasas de flujo de fluidos, logrando aumentar la tasa de eliminación de sal en aproximadamente un 20% y reduciendo simultáneamente el consumo de energía.
El sistema RFD desarrollado por NYU utiliza una estructura de cuatro canales separados por membranas de intercambio iónico (IEM). Aumentar la velocidad de flujo en los canales de electrolito reduce la resistencia en la interfaz electrolito-membrana, mejorando significativamente la eliminación de sal y la eficiencia energética. Por ejemplo, incrementar la velocidad de flujo de 5 a 50 mL/min ha permitido aumentar la tasa de eliminación de sal en 16,7 veces y reducir el consumo de energía.
Esquema del sistema de desalinización de flujo redox de 4 canales del profesor Taylor, interpretado por la IA Dall-E.
Características del sistema RFD
El sistema de desalinización por flujo redox (RFD) presenta múltiples beneficios:
Para entender la desalación por flujo redox, es importante conocer primero el concepto de baterías redox. Estas baterías almacenan energía en soluciones líquidas llamadas electrolitos, que contienen compuestos químicos capaces de cambiar de estado oxidado a reducido y viceversa. Durante el funcionamiento, dos tipos de electrolitos se bombean desde tanques separados a través de una celda electroquímica central. En esta celda, los electrolitos interactúan a través de una membrana de intercambio iónico, generando electricidad que puede ser utilizada o almacenada. Las baterías redox son especialmente útiles para el almacenamiento de energía renovable debido a su capacidad para soportar muchos ciclos de carga y descarga sin degradarse significativamente.
Esquema para un RFD de cuatro canales en modo de un solo paso con una A/A*, que representa reacciones electroquímicas de especies redox disueltas en soluciones de sales conductoras y canales separados por una membrana de intercambio catiónico (CEM) y una membrana de intercambio aniónico (AEM).
La nueva generación de baterías redox desalinizadoras
La desalación mediante flujo redox (RFD) es una técnica innovadora que combina la desalación de agua y el almacenamiento de energía en un solo sistema. En lugar de utilizar métodos tradicionales, RFD circula soluciones de sal y agentes redox a través de celdas electroquímicas. Las membranas de intercambio iónico permiten la transferencia selectiva de iones, extrayendo sal del agua de mar y produciendo agua dulce. Además de producir agua potable, el proceso RFD permite almacenar energía excedente de fuentes renovables en las moléculas redox, que luego puede ser liberada cuando sea necesario, funcionando como una batería.
Avances en la Universidad de Nueva York
Investigadores de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York han alcanzado un avance significativo en la desalinización mediante flujo redox (RFD), una técnica electroquímica emergente que no solo convierte agua de mar en agua potable, sino que también almacena energía renovable de manera rentable.
En un estudio publicado en Cell Reports Physical Science, el equipo de NYU Tandon, dirigido por el Dr. André Taylor, profesor de ingeniería química y biomolecular y director de DC-MUSE (Decarbonizing Chemical Manufacturing Using Sustainable Electrification), ha incrementado la eficiencia del sistema RFD. Optimizaron las tasas de flujo de fluidos, logrando aumentar la tasa de eliminación de sal en aproximadamente un 20% y reduciendo simultáneamente el consumo de energía.
El sistema RFD desarrollado por NYU utiliza una estructura de cuatro canales separados por membranas de intercambio iónico (IEM). Aumentar la velocidad de flujo en los canales de electrolito reduce la resistencia en la interfaz electrolito-membrana, mejorando significativamente la eliminación de sal y la eficiencia energética. Por ejemplo, incrementar la velocidad de flujo de 5 a 50 mL/min ha permitido aumentar la tasa de eliminación de sal en 16,7 veces y reducir el consumo de energía.
Esquema del sistema de desalinización de flujo redox de 4 canales del profesor Taylor, interpretado por la IA Dall-E.
Características del sistema RFD
El sistema de desalinización por flujo redox (RFD) presenta múltiples beneficios:
- Escalabilidad y flexibilidad: El sistema proporciona un enfoque escalable para el almacenamiento de energía, permitiendo la utilización eficiente de fuentes renovables intermitentes como la energía solar y eólica.
- Reducción de dependencia de redes convencionales: RFD puede disminuir la dependencia de las redes eléctricas convencionales y fomentar la transición hacia un proceso de desalinización neutro en carbono.
- Mejora en la eficiencia del sistema: La integración de baterías de flujo redox con tecnologías de desalinización mejora la eficiencia y la fiabilidad del sistema.
Funcionamiento del sistema
El proceso RFD implica la división del agua de mar entrante en dos corrientes: la corriente de salinización y la corriente de desalinización. Adicionalmente, dos canales albergan el electrolito y la molécula redox, separados por una membrana de intercambio catiónico (CEM) o una membrana de intercambio aniónico (AEM). En una operación inversa, donde la salmuera y el agua dulce se mezclan, la energía química almacenada se convierte en electricidad renovable.
Aplicaciones y potencial
El sistema RFD puede servir como una forma única de "batería," capturando energía excedente de fuentes solares y eólicas para liberarla bajo demanda. Esta dualidad demuestra su potencial no solo en desalinización, sino también como una contribución innovadora a las soluciones de energía renovable.
Colaboración y reconocimientos
El éxito de este proyecto se atribuye en gran medida a Stephen Akwei Maclean, primer autor del artículo y candidato a doctorado en ingeniería química y biomolecular en NYU Tandon. Maclean diseñó la arquitectura del sistema utilizando tecnología avanzada de impresión 3D en el NYU Maker Space.
El equipo de investigadores de NYU Tandon incluye a Syed Raza, Hang Wang, Chiamaka Igbomezie, Jamin Liu, Nathan Makowski, Yuanyuan Ma, Yaxin Shen y Jason A. Röhrl. Además, Guo-Ming Weng de la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China, colaboró como miembro crucial del equipo.
Implicaciones futuras
Aunque se requiere más investigación, los hallazgos del equipo de NYU Tandon sugieren una vía prometedora hacia un proceso RFD más rentable. Este avance es crucial en la búsqueda global de agua potable, especialmente en un contexto de cambio climático y crecimiento poblacional.
Este trabajo se alinea con la misión de DC-MUSE, una iniciativa de colaboración establecida en NYU Tandon para avanzar en investigaciones que disminuyan el impacto ambiental de los procesos químicos mediante el uso de energía renovable.
Publicaciones y logros
Este logro marca la publicación número 100 del Laboratorio de Materiales y Dispositivos Transformadores de Taylor, establecido originalmente en Yale en 2008 y trasladado a NYU Tandon en 2018. El laboratorio se centra en el desarrollo de materiales y dispositivos innovadores para la conversión y almacenamiento de energía, reflejando el compromiso duradero de Taylor con la investigación transformadora en el campo.
Para más información sobre esta investigación y otros proyectos innovadores de NYU Tandon, visita NYU Tandon School of Engineering.
¿Te ha gustado este post? ¡Echa un vistazo a nuestras últimas noticias de actualidad!
|
|
|
|
| Vivoteg: Generando Energía Renovable desde la Antártida |
Lo último en agrovoltaica |
|
