Una nueva tecnología de desalinización fotovoltaica reduce el costo nivelado del agua

Un grupo mundial de científicos dirigido por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha desarrollado un novedoso sistema de desalinización de agua salobre alimentado por energía solar de bajo costo que, según se informa, puede reducir los costos nivelados del agua (LCOW, por sus iniciales en inglés) en comparación con los sistemas convencionales de desalinización fotovoltaica.

El sistema de desalinización propuesto utiliza la tecnología de inversión de electrodiálisis variable en el tiempo (EDR), que los investigadores desarrollaron como una variación flexible de la desalinización EDR tradicional. “Nuestra investigación pretende hacer frente a la escasez de agua en las zonas rurales de la India, donde la mayor parte del agua subterránea es demasiado salina para beberla. El acceso a la red eléctrica y su estabilidad no son buenos y sufren frecuentes cortes de electricidad”, explica Wei He, autor de la investigación, a pv magazine.

“Un módulo EDR está formado por una pila de membranas de intercambio iónico y utiliza un campo eléctrico para mover los iones de los canales de flujo diluido a los canales de flujo de salmuera entre cada membrana”, explica el grupo de investigación. “Este campo eléctrico puede invertirse intermitentemente para evitar la acumulación de incrustaciones en la membrana”.

Sin embargo, debido a la naturaleza intermitente de la energía solar, la EDR clásica no encaja a la perfección. Requiere una potencia constante para su funcionamiento, por lo que las plantas FV-EDR necesitan el apoyo de baterías o sistemas solares sobredimensionados, sobre todo al principio y al final del día, cuando la potencia solar es baja.

“Para superar estos problemas, hemos desarrollado una tecnología EDR por lotes flexible que incorpora una tensión variable en el tiempo y un ajuste del caudal”, explican los académicos. “Un método de control basado en modelos permite al sistema EDR alinear su consumo de energía con la energía solar disponible en cada paso temporal, al tiempo que optimiza la producción de agua en condiciones solares variables”.

Para controlar el funcionamiento, el equipo creó un controlador principal basado en modelos que se ejecuta en Python y calcula el caudal óptimo de la bomba y el voltaje de la pila EDR a partir de las lecturas de los sensores en tiempo real. Se construyó un prototipo en un centro de investigación que reflejaba fielmente los parámetros de diseño y las condiciones operativas típicas de un sistema FV-EDR a escala comunitaria con capacidad para producir 6 m3 de agua dulce al día. Estaba alimentado por un panel solar con una superficie de 37 m2 y una inclinación de 30 grados.

Este sistema piloto se probó para análisis de un solo día y de seis días y se comparó con el sistema EDR tradicional de funcionamiento constante. Ambos sistemas se alimentaron con agua con una salinidad inicial media de 970 mg l-1. El sistema se ajustó a una tasa de recuperación de agua conservadoramente baja del 60%.

“El sistema flexible es capaz de utilizar directamente el 77% de la energía solar disponible de media, en comparación con sólo alrededor del 40% en el sistema convencional (un aumento del 91%)”, destacaron los científicos. “Esto sugiere que un sistema convencional requeriría mucha más superficie de paneles solares para funcionar directamente (es decir, sin almacenamiento de energía), lo que aumentaría los costos de capital”.

Además, el análisis demostró que la capacidad mínima media de la batería necesaria para el sistema flexible era de 0,27 kWh, lo que supone una reducción del 92% frente a los 3,3 kWh del sistema constante. “Por último, los resultados muestran que el sistema flexible puede alcanzar su volumen de producción hasta un 54% más rápido que el sistema convencional”, añadieron.

Tras los resultados experimentales, los investigadores realizaron un estudio de caso de análisis de costos para el uso de un sistema de este tipo en Chelluru, un pueblo rural de la India situado cerca de Hyderabad. Mediante simulación y optimización por ordenador, se comparó con un sistema FV-EDR convencional, un sistema FV-EDR constante de última generación y un sistema comercial de desalinización por ósmosis inversa (OI) en red. “La ósmosis inversa utiliza la presión para forzar el paso del agua a través de una membrana de polímero, mientras que sus iones constitutivos son bloqueados por la membrana”, explica el grupo.

“El costo nivelado optimizado del agua alcanzado por el sistema FV-EDR flexible propuesto es de 1,66 dólares/m3, lo que mejora el costo en un 22% en comparación con el sistema FV-EDR de última generación y en un 46% en comparación con el sistema FV-EDR convencional”, descubrieron los científicos. “El costo total de propiedad (LCOW) de la ósmosis inversa en red es de 1,71 $ m-3, un 3% por encima del LCOW del sistema FV-EDR flexible”.

Sus hallazgos se presentan en “Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination” (Electrodiálisis por lotes flexible para la desalinización de agua salobre con energía solar de bajo costo), publicado en Nature Water. El equipo estaba formado por investigadores del King’s College de Londres (Reino Unido) y del Instituto Helmholtz Erlangen-Nürnberg de Energías Renovables (HI ERN) (Alemania).

“Para el próximo paso, explorar el rendimiento a largo plazo y ampliar el ámbito de aplicación de nuestra tecnología PV-EDR más allá de la desalinización de agua salobre presenta una oportunidad significativa para abordar una gama más amplia de desafíos globales relacionados con el tratamiento del agua y los residuos líquidos”, concluyó He.