Los ingenieros del MIT han construido un nuevo sistema de desalinización que funciona con el ritmo del sol.Los investigadores informan detalles del nuevo sistema en un artículo que aparece ennaturaleza agua.

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

Debido a que el sistema puede reaccionar rápidamente a cambios sutiles en la luz solar, maximiza la utilidad 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 impulsados ​​por energía solar, el sistema del MIT no requiere baterías adicionales paraalmacenamiento de energía, ni una fuente de alimentación suplementaria, como la de la red.

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% de la energía eléctrica generada por los paneles solares del sistema para producir hasta 5.000 litros de agua por día a pesar de los grandes cambios en el clima y la luz solar disponible.

"Las tecnologías de desalinización convencionales requieren energía constante y necesitan almacenamiento en baterías para suavizar una fuente de energía variable como la solar. Al variar continuamenteconsumo de energíaEn sincronía con el sol, nuestra tecnología utiliza directa y eficientemente la energía solar para producir agua", dice Amos Winter, profesor de Ingeniería Mecánica en Germeshausen y director del Centro de Investigación e Ingeniería Global (GEAR) K. Lisa Yang en el MIT.

"Poder producir agua potable con energías renovables, sin necesidad de almacenamiento en baterías, es un gran desafío enorme. Y lo hemos logrado".

El sistema está orientado a desalinizar agua subterránea salobre, una fuente de agua salada que se encuentra en depósitos subterráneos y es más frecuente que los recursos de agua subterránea dulce.Los investigadores ven el agua subterránea salobre como una enorme fuente sin explotar de agua potable potencial, particularmente porque las reservas de agua dulce están agotadas en algunas partes del mundo.

Imaginan 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 es limitado.

"En realidad, la mayoría de la población vive lo suficientemente lejos de la costa como para que la desalinización del agua de mar nunca pueda llegar hasta ellos. En consecuencia, dependen en gran medida de las aguas subterráneas, especialmente en regiones remotas y de bajos ingresos. Y desafortunadamente, estas aguas subterráneas se están volviendo cada vez más salinas debido acambio climático", dice Jonathan Bessette, Ph.D. del MIT.estudiante de ingeniería mecánica.

"Esta tecnología podría llevar agua limpia, sostenible y asequible a lugares marginados de todo el mundo".

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,reportado a principios de este año.Ese sistema tenía como objetivo desalinizar el agua mediante "electrodiálisis discontinua flexible".

La electrodiálisis y la ósmosis inversa son dos de los principales métodos utilizados para desalinizar aguas subterráneas salobres.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 extraer iones de sal mientras se bombea agua a través de una pila de membranas de intercambio iónico.

Los científicos han buscado potenciar ambos métodos con fuentes renovables.Pero esto ha sido especialmente desafiante paraósmosis inversasistemas, 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, "variante 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 en 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 chimenea y el voltaje que se debe aplicar a la chimenea para maximizar la cantidad desal 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% de la energía eléctrica disponible producida por los paneles solares, que el equipo estimó que era un 91% más que los sistemas de electrodiálisis con energía solar diseñados tradicionalmente.

Aún así, los investigadores sintieron que podían hacerlo mejor.

"Sólo podíamos calcular cada tres minutos, y en ese tiempo, literalmente podía pasar una nube y bloquear el sol", dice Winter."El sistema podría estar diciendo: 'Necesito funcionar a esta potencia tan alta'.Pero parte de esa energía disminuyó repentinamente porque ahora hay menos luz solar, por lo que tuvimos que compensar esa energía con baterías adicionales".

Comandos 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 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 el suministro de energía con fuentes de alimentación adicionales.

La clave para una desalación más ágil es una estrategia de control más 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 que producen los paneles solares del sistema.

Si los paneles generan más energía de la que utiliza el sistema, el controlador automáticamente "ordena" al sistema que aumente su bombeo, empujando 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 entregada a la chimenea, para expulsar 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 nuestro caudal y nuestra corriente'.Cuando volvamos a mirar y veamos que aún hay más exceso de energía, lo aumentaremos nuevamente. Mientras lo hacemos, podemos igualar nuestra energía consumida con la energía solar disponible con mucha precisión, a lo largo del día.Esto, menos almacenamiento de batería necesitaremos".

Los ingenieros incorporaron la nueva estrategia de control en un sistema totalmente automatizado que dimensionaron para desalinizar agua subterránea salobre a un volumen diario que sería suficiente para abastecer a una pequeña comunidad de unas 3.000 personas.Operaron 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, aprovechando más del 94% 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, reducimos la capacidad de batería necesaria en casi un 100%", afirma Winter.

Los ingenieros planean seguir probando y ampliando el sistema con la esperanza de suministrar a comunidades más grandes, e incluso a municipios enteros, agua potable de bajo costo y totalmente impulsada por el sol.

"Si bien este es un gran paso adelante, todavía estamos trabajando diligentemente para continuar desarrollando métodos de desalinización más sustentables y de menor costo", dice Bessette.

"Nuestro enfoque ahora está en probar, maximizar la confiabilidad y desarrollar una línea de productos que pueda proporcionar productos desalinizados.aguautilizando energías renovables en múltiples mercados alrededor del mundo", añade Pratt.

El equipo lanzará una empresa basada en su tecnología en los próximos meses.Los coautores del estudio son Bessette, Winter y el ingeniero Shane Pratt.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.