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Un dispositivo simple para desalinizar agua de mar con energía solar

Instituto Tecnológico de Massachusetts
Dispositivo creado que aprovecha más eficientemente la luz solar para desalinizar agua marina. Imagen: MIT

Un sistema de desalinización con energía solar completamente pasivo desarrollado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) podría proporcionar más de 5 litros de agua potable fresca por hora por cada metro cuadrado de área de recolección solar.

Tales sistemas podrían potencialmente servir a zonas costeras áridas fuera de la red de suministro de agua para proporcionarla de manera eficiente y a bajo costo.

El sistema utiliza múltiples capas de evaporadores y condensadores solares planos, alineados en una matriz vertical y cubiertos con aislamiento de aerogel transparente. Se describe en un artículo que aparece en la revista Energy and Environmental Science, escrito investigadores del MIT y de la Universidad de Tong en China.

La clave para la eficiencia del sistema radica en la forma en que usa cada una de las múltiples ‘etapas’ para desalinizar el agua. En cada etapa, el calor liberado por la etapa anterior se aprovecha en lugar de desperdiciarse. De esta forma, el dispositivo de prueba puede lograr una eficiencia general del 385% al convertir la energía de la luz solar en energía de evaporación del agua.

El dispositivo es esencialmente un alambique solar multicapa, con un conjunto de componentes de evaporación y condensación como los utilizados para destilar licor. Utiliza paneles planos para absorber el calor y luego transferir ese calor a una capa de agua para que comience a evaporarse. El vapor luego se condensa en el siguiente panel. Esa agua se recoge, mientras que el calor de la condensación de vapor pasa a la siguiente capa.

Cada vez que el vapor se condensa en una superficie, libera calor. En los sistemas de condensadores típicos, ese calor simplemente se pierde en el medio ambiente. Pero en este evaporador multicapa, el calor liberado fluye hacia la siguiente capa de evaporación, reciclando el calor solar y aumentando la eficiencia general.

«Cuando condensas agua, liberas energía como calor«, dice Wang. «Si tienes más de una etapa, puedes aprovechar ese calor«.

Agregar más capas aumenta la eficiencia de conversión para producir agua potable, pero cada capa también agrega costos y volumen al sistema.

El equipo se decidió por un sistema de 10 etapas para probar el sistema en la azotea de un edificio del MIT. El sistema suministró agua pura que excedió los estándares de agua potable de la ciudad, a una tasa de 5.78 litros por metro cuadrado de área de recolección solar.

Según Wang, esto es más del doble de la cantidad récord producida previamente por cualquier sistema de desalinización pasivo con energía solar.

Teóricamente, con más etapas de desalinización y una mayor optimización, tales sistemas podrían alcanzar niveles de eficiencia general de hasta 700 u 800%, dijo Zhang.

A diferencia de algunos sistemas de desalinización, no hay acumulación de sal o salmueras concentradas que se deban eliminar. En una configuración de flotación libre, cualquier sal que se acumule durante el día, simplemente se llevaría de regreso por la noche a través del material absorbente y de vuelta al mar, según los investigadores.

Su unidad de demostración fue construida principalmente con materiales económicos y fácilmente disponibles. En la mayoría de los otros intentos de hacer sistemas pasivos de desalinización solar, el material absorbente solar y el material absorbente han sido un solo componente, que requiere materiales especializados y costosos, dice Wang. «Hemos podido desacoplar estos dos».

El componente más costoso del prototipo es una capa de aerogel transparente que se usa como aislante en la parte superior de la pila, pero el equipo sugiere que otros aisladores menos costosos podrían usarse como alternativa. (El aerogel en sí está hecho de sílice barata, pero requiere un equipo de secado especializado para su fabricación).

Wang enfatiza que la contribución clave del equipo es un marco general para comprender cómo optimizar estos sistemas pasivos de etapas múltiples, que llaman desalinización de etapas múltiples localizadas térmicamente.

Las fórmulas que desarrollaron probablemente podrían aplicarse a una variedad de materiales y arquitecturas de dispositivos, permitiendo una mayor optimización de los sistemas.

Los investigadores planean más experimentos para continuar optimizando la elección de materiales y configuraciones, y para probar la durabilidad del sistema en condiciones realistas.

La esperanza es que en última instancia podría desempeñar un papel importante en regiones del mundo donde la electricidad es escasa, pero el agua de mar y la luz solar son abundantes.

Fuente: MIT 

Artículo: Xu, Z., Zhang, L., Zhao, L., Li, B., Bhatia, B., Wang, C., et all. (2020). Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar stillEnergy & Environmental Science.

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