¡Agua! Mediante la integración de pilas de combustible de baja temperatura y membranas de ósmosis inversa

24 June, 2015 | By More

Por Dr. Juan Carlos Rojas-Zerpa PhD Ingeniero Consultor – Investigador Mérida – Venezuela; Editado por Dra. Dora López PhD

 

La producción combinada de agua y energía es técnicamente posible mediante la integración de pilas de combustible y membranas de ósmosis inversa. El elevado costo de inversión en las pilas de baja temperatura y el alto costo del hidrógeno aun hacen inviable su implantación pero se espera que después del 2015 ésta configuración tecnológica arroje mejores perspectivas de rentabilidad financiera.

Fuel Cell NASA

Pila de Combustible. Foto: NASA.

Además de la energía y de la contaminación ambiental, uno de los problemas más importante que debe resolverse en el futuro más inmediato, está asociado con la disponibilidad y calidad del agua. Acorde con las proyecciones de las Naciones Unidas para el año 2050, se estima que entre dos mil y siete mil millones de personas tendrán problemas de escasez de agua potable. Además, se estima que la cantidad de agua disponible se reducirá a un tercio durante las dos próximas décadas.

La contaminación de los recursos hídricos y su elevada demanda, debido al rápido crecimiento demográfico y la industrialización en países en vías de desarrollo, constituyen las principales razones para el empeoramiento de la situación del agua [1]. Por lo tanto, la escasez mundial de agua potable, representa la fuerza impulsora detrás de la puesta en práctica de las tecnologías de membranas para la desalación de agua de mar, aguas salobres y la depuración de aguas negras [1].

La tecnología de ósmosis inversa (RO por sus siglas en inglés) para la desalación de agua de mar se considera madura. Los costos de desalación mediante RO han disminuido significativamente debido a la alta productividad de las membranas. Sin embargo, hay mucho que mejorar en el control del proceso y en el consumo específico de energía eléctrica durante su operación [1]. Las membranas de desalación se han convertido en una tecnología viable por varias razones: a) reducción substancial en el costo de desalación de agua en los Estados Unidos de América de 1,75 $/m3 a menos de 1,00 $/m3 (en los últimos 20 años); b) reducción sustancial en el consumo específico de energía desde 8 kWh/m3 (en 1980) hasta 3–4 kWh/m3 (en la actualidad); c) una vida útil de la membrana superior a 5 años y además presenta una alta confiabilidad de funcionamiento [1].

Respecto a las tecnologías convencionales para la generación de energía, las pilas de combustible (FC por sus siglas en inglés) se consideran una tecnología emergente. Su alto rendimiento energético, modularidad y bajo impacto ambiental favorecen un sistema de suministro eléctrico sostenible. De momento, se están estudiando múltiples aplicaciones con dichos dispositivos, partiendo desde la automoción, la generación distribuida, cogeneración, hasta llegar a las nuevas aplicaciones relacionadas con la producción combinada de agua y energía: trigeneración.

La utilización de las pilas de combustible para la generación de electricidad, son ambientalmente benignas; las emisiones de dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx) son casi 1.000 veces más bajas que las emisiones de las centrales eléctricas de combustible fósil [2]. Así mismo, las emisiones de CO2 son bastante bajas. Los costes de inversión de las pilas de combustible son relativamente altos, razón por la cual los proyectos de inversión no arrojan resultados económicos favorables.

La integración de FC con las unidades de desalación, ha sido objeto de investigación durante los últimos años. Específicamente, se han evaluado diversas configuraciones de celdas de las pilas para proporcionar electricidad a las membranas RO, mientras que el calor residual de las celdas se recupera para el posterior precalentamiento del agua de alimentación del sistema (agua de mar). Estos estudios han demostrado que sin importar el tipo de proceso de desalación, cuando se integran dispositivos FC con las unidades de desalación, el calor residual y la energía eléctrica generada por la pila son utilizados eficientemente en el proceso de la desalación [1, 3].

En la actualidad, las pilas de combustible de baja temperatura (LTFC por sus siglas en inglés) son los dispositivos electroquímicos que menor capacidad de potencia comercial presentan. La potencia más alta que ha sido desarrollada por los fabricantes del sector no supera los 250 kW. La eficiencia eléctrica de FC suele oscilar hasta 50%, por lo que la máxima potencia eléctrica es menor o igual a 125 kWe. En tal sentido y para un funcionamiento de 24 horas por día, dicho dispositivo solo puede generar hasta 3000 kWh. En efecto, esta limitación en el suministro de electricidad restringe directamente la capacidad de desalación de agua de mar a pequeños caudales de agua desalada: caudales menores a 567 m3 por día.

En conclusión, las pilas de combustible de baja temperatura presentan limitaciones de potencia y energía para su aplicación en la cogeneración de gran escala que involucre la producción combinada de agua y energía. En este sentido, con dicha tecnología no es posible la producción de medianos a grandes caudales de agua desalada. La producción de pequeños caudales implica un beneficio económico negativo debido principalmente a: elevado costo de inversión en LTFC, elevado costo de producción del agua desalada utilizando hidrógeno como combustible base, y muy baja rentabilidad financiera. Sin embargo, se espera que después del 2015, la tecnología FC experimente un repunte importante en su implementación con una reducción significativa en los costos de inversión y operación, lo que podría representar una gran aplicación para la desalación de agua de mar, especialmente en zonas remotas o aisladas donde se requieran caudales de baja consideración.

Referencias bibliográficas

 

[1] Singh, R.; “Sustainable fuel cell integrated membrane desalination systems”, Desalination; V.227; pp.14 -33; 2008.

[2] Spiegel, R. and Preston J.; “Test results for fuel cell operation on anaerobic digester gas”, Journal Power Sources; V.8; pp. 283-288; 2000.

[3] Lisbona, P., Uche, J. and Serra, L.; “High-temperature fuel cells for fresh water production”, Desalination; V.182; pp. 471-482; 2005.

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Category: Hidrógeno, Renovables, Eficiencia Energética y Medio Ambiente

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