¿Podría la evaporación ser una fuente importante de energía renovable?

Un inconveniente de la energía eólica y solar es la intermitencia, lo que genera la necesidad de almacenamiento de energía. En una entrevista de Yale Environment 360, el biofísico Ozgur Sahin explica cómo la evaporación de lagos y embalses podría transformarse en una fuente estable de energía renovable.

Por Diane Toomey · 28 de septiembre de 2017

En 2015, el biofísico Ozgur Sahin encontró una forma de convertir el proceso de evaporación en una fuente de energía renovable, construyendo dispositivos que encendían LED y electrificaban un coche de juguete, todo impulsado por los cambios en los niveles de humedad del aire. Ahora, Sahin y sus colegas de la Universidad de Columbia han publicado un nuevo artículo en la revista Nature Communications que estima que la evaporación en los lagos y embalses de EE. UU. podría, en teoría, satisfacer casi el 70 por ciento de las necesidades de electricidad del país.

Özgur Sahin

La tecnología, que utiliza esporas absorbentes de agua de la bacteria del suelo B. subtilis para generar energía, aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. Pero Sahin, profesor asociado de ciencias biológicas y física en Columbia y ganador del Premio al Investigador Joven 2016 de la Oficina de Investigación Naval, dice que tiene ventajas importantes sobre otras formas de energía renovable. "La energía eólica y solar son fuentes intermitentes", dijo. "En el caso de la evaporación, no fluctúas mucho. Puedes esperar una evaporación muy significativa incluso por la noche".

En una entrevista con Yale Environment 360, Sahin habla sobre cómo funciona este nuevo tipo de generación de electricidad, sus limitaciones y la necesidad de una amplia colaboración científica para probar si la tecnología podría convertirse en una fuente importante de energía en los EE. UU. y en todo el mundo.

Yale Medio Ambiente 360: En un trabajo publicado en 2015, usted y sus colegas inventaron un par de máquinas que usaban el proceso de evaporación para generar fuerza mecánica. Hizo esto utilizando esporas bacterianas inofensivas que se expanden y contraen en respuesta a los cambios en la humedad. Uno de los dispositivos que llamas "motor de evaporación". Describe cómo funciona esa máquina en particular.

sahin: El motor de evaporación tiene tiras de plástico recubiertas de esporas. Las esporas se expanden y contraen en respuesta a los cambios de humedad, y lo hacen con mucha fuerza. Y cuando eso sucede, estas tiras se alargan y acortan en respuesta. Básicamente, funcionan como un músculo, que luego puedes convertir en energía eléctrica.

Por lo general, la humedad en sí misma no cambia tan rápido en el medio ambiente, cambia en una escala de tiempo diaria, pero cuando tiene una superficie de agua abierta, tiene evaporación y puede aprovechar eso con un dispositivo. La forma en que lo hacemos es colocando las tiras debajo de las persianas. Cuando se abren, pueden dejar pasar la humedad, y cuando estas persianas están cerradas bloquean la humedad. Puedes conectar ese [dispositivo] a un generador o algo que convierte el movimiento y la energía mecánica en electricidad, y así puedes generar electricidad. Este es el concepto general detrás de nuestro dispositivo.

e360: La segunda máquina que ideó se llama "molino de humedad". Pudiste poner en marcha un coche de juguete con ese. Se parece a una rueda y funciona según el mismo principio. Cuéntame un poco sobre eso.

sahin: Este segundo dispositivo básicamente tiene un círculo de plástico y tiras de plástico recubiertas de esporas que se colocan alrededor del círculo. Insertamos el círculo en una cámara hasta la mitad, y dentro de la cámara está húmedo porque hay un papel húmedo que cubre las paredes de la cámara, y esa humedad hace que las esporas en esa mitad del círculo se expandan. Y por fuera, la mitad restante del círculo, el aire está seco, entonces las tiras de ese lado están un poco más rizadas porque las esporas están en estado contraído.

Cuando eso sucede, el centro de gravedad del círculo se desplaza un poco del eje de rotación del círculo. La rotación [posterior] trae esporas que estaban en la mitad seca, a la región húmeda, y lleva algunas esporas húmedas que están en la parte húmeda, que van a la parte seca. Sigue girando mientras el papel dentro de la cámara esté húmedo. Armamos un sistema simple, similar a un juguete, con piezas de Lego que comienza a rodar en la superficie. No es el coche más rápido, pero probablemente sea el primero que se queda sin agua.

e360: En este último artículo, explora el potencial de la evaporación natural como fuente de energía renovable. Imagina fuentes de agua abiertas, como lagos y embalses, cubiertos por recolectores de energía impulsados ​​por la evaporación. ¿A qué se parecería? ¿Simplemente habría versiones más grandes de ese dispositivo con las persianas que se abren y cierran encima de estas fuentes de agua abiertas?

sahin: Probablemente se usarían algunos conceptos básicos, pero no necesariamente necesita los mismos mecanismos de obturación, lo que sería un sistema complicado a gran escala. Tendría que idear algo que funcionara y que tuviera pocos componentes móviles, para que sea más fácil de implementar a gran escala.

e360:¿Te imaginas usar las esporas bacterianas o hay otras formas de aprovechar el poder de evaporación?

sahin: Un objetivo es hacer algo como una lámina con el material de la espora, de modo que estas láminas puedan expandirse y contraerse en un área de superficie, y eso en sí mismo podría ser la base del dispositivo. El material final podría estar produciendo una cantidad significativa de energía. Tal vez no en los límites teóricos que predijimos, pero aún podría ser atractivo si considera los costos y otros factores.

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e360:Usted calcula que en los EE. UU. hay potencialmente disponibles hasta 325 gigavatios de energía de evaporación, lo que, como escribe, es cerca del 70 por ciento de la tasa de generación de energía eléctrica en los EE. UU. en 2015. ¿Cómo llegó a esa cifra?

sahin: Lo que incluimos en ese número son los embalses y lagos existentes que conocemos. Ignoramos los embalses que son demasiado pequeños y también ignoramos los Grandes Lagos. Hicimos eso porque es más fácil modelar cuerpos de agua abiertos cuando no son tan grandes, es decir, "no tan grandes" si tienen menos de 100 kilómetros de ancho.

Lo primero que asumimos es que el dispositivo puede funcionar a un nivel dentro de los límites de la termodinámica. Entonces queríamos averiguar, ¿cómo las condiciones ambientales impondrían límites adicionales? Entonces, el clima afectará las tasas de evaporación, la temperatura, la velocidad del viento, la cantidad de luz solar disponible en ese lugar en particular, la humedad del aire. Pusimos todos esos parámetros en un modelo, algo que en realidad construimos utilizando modelos anteriores desarrollados por hidrólogos... A partir de ahí, calculamos en una ubicación determinada con datos meteorológicos determinados, cuál sería la energía que puede obtener de un área específica, digamos, un ¿metro cuadrado? Eso básicamente nos da un mapa del país, y puedes decir que si hay un cuerpo de agua en este lugar, puedes esperar tanta energía de ese cuerpo de agua.

e360:¿Te sorprendió la cifra total?

sahin: El número en sí mismo es grande, pero si se construye esta tecnología, definitivamente sería menor. Pero eso todavía puede hacer una contribución a las energías renovables porque las energías renovables existentes no se desarrollan a esa escala, del orden de decenas de gigavatios. Incluso una pequeña fracción de este potencial disponible, si se materializa, seguiría siendo significativa.

e360:¿Cuáles son las ventajas o desventajas que podría tener la energía de evaporación en comparación con la solar o la eólica?

sahin: La energía eólica y solar son fuentes intermitentes. Necesita tecnologías de almacenamiento de energía para abordar eso porque los consumidores necesitan energía en diferentes momentos del día y diferentes épocas del año. En el caso de la evaporación, básicamente no fluctúas mucho. Por ejemplo, puede esperar una evaporación muy significativa incluso durante la noche. La razón principal de esto es que el agua en sí misma puede almacenar calor. Entonces, el calor que proviene de la luz solar durante el día se almacena en el agua y permanece allí durante la noche, y puede impulsar la evaporación directamente. Eso crea un perfil suave de tasas de evaporación. Luego, si tiene dispositivos, obtiene un control adicional sobre la tasa de evaporación. Por lo tanto, ese control, junto con la capacidad de almacenamiento del agua, es una forma potencial de hacer coincidir la demanda de energía con el suministro de energía sin depender de baterías u otros mecanismos de almacenamiento de energía.

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El otro beneficio es la relación directa con los recursos hídricos. Recolectar energía de la evaporación necesariamente reduce la tasa de evaporación. Entonces, si tiene reservorios artificiales, por ejemplo, los creados para riego o energía hidroeléctrica, reducir esa pérdida de agua podría ser otro beneficio importante. Esa agua podría ser utilizada por los agricultores o por otros hábitats río abajo.

En cuanto a las desventajas, muchos de estos cuerpos de agua tienen usos recreativos y otros, como la pesca. Podría haber un compromiso, si se trata de eso. También podría ser posible, imaginando materiales que sean flexibles como láminas hechas de algún material biológico, que estas cosas se puedan quitar y volver a colocar con más facilidad que las construcciones rígidas como las granjas solares y las turbinas eólicas. Por supuesto, esto debe desarrollarse y probarse, pero a mi modo de ver, esto puede estar potencialmente en armonía tanto con el medio ambiente como con otros usuarios potenciales de estos recursos.

e360:Por supuesto, puede haber otros impactos ambientales negativos.

sahin: Absolutamente. Lo que nosotros, como investigadores, esperamos es llamar la atención de más personas y expertos en otros campos que puedan pensar en problemas potenciales o soluciones a estos problemas potenciales. Los proyectos de energía en sí mismos son muy complicados y tienen muchos aspectos diferentes, desde la economía hasta el medio ambiente. Es difícil llevar a cabo un proyecto de este tipo en un laboratorio de investigación, por lo que lo que estamos tratando de lograr con esta publicación es presentar una pieza del rompecabezas: existe un potencial significativo para el poder. Ahora vale la pena analizar estos otros aspectos que podrían hacer que esto sea una posibilidad o desafiar su implementación. Pero incluso si hay desafíos, puede haber formas de sortearlos porque parece ser una tecnología relativamente flexible.

e360:¿Tiene alguna preocupación con respecto a los escollos que se avecinan en términos del desarrollo de esta tecnología?

sahin: Podría haber cosas que no anticipé, y creo que en este momento lo que deberíamos hacer es básicamente hacer demostraciones e ir más allá del dispositivo de prueba de principio y ver cómo podría verse la tecnología y a qué podría conducir. Eso podría informar futuras discusiones.

e360: En su documento tiene una tabla en la que proporciona un desglose estado por estado de la generación potencial de energía. Utah, California y Texas están entre los tres primeros. Además del área de superficie de agua abierta disponible, ¿cuáles son las condiciones ambientales que favorecen una mayor generación potencial de energía a partir de la evaporación?

sahin: Cuanto más luz del sol reciba un lugar, más energía puede esperar de un área determinada. Y si el área está seca, eso es algo que mejora las tasas de evaporación. Eso también aumenta la energía de un área determinada, y esos dos componentes tienden a ser más grandes en el suroeste de los Estados Unidos.

e360:Su estudio se limitó a los EE. UU., pero ¿imagina que la energía de evaporación podría tener aplicabilidad en áreas sin conexión a la red de países en desarrollo?

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sahin: Limitamos nuestros estudios a los EE. UU., principalmente porque teníamos acceso a los datos que se incluyen en nuestros modelos. Pero, en general, esperamos que esto sea aplicable en muchas otras partes del mundo. Si un agricultor tiene una piscina de agua para riego, podría utilizarse como fuente de energía.

e360:¿Cuáles son algunos de los siguientes pasos para su laboratorio?

sahin: Nos estamos enfocando principalmente en pasar de estas esporas individuales a materiales grandes ensamblando esporas en láminas. Usando eso, intentaremos construir dispositivos más grandes, no necesariamente algo del tamaño de una prueba piloto, pero tal vez un dispositivo de mesa más grande, tal vez una piscina pequeña que podamos ensamblar y probar en la superficie de esa agua. Y eso probablemente nos informaría si los materiales están listos para una prueba más grande. Pero todavía hay muchas preguntas básicas que deben responderse.

diane toomey es una periodista de radio pública galardonada que ha trabajado en Marketplace, World Vision Report y Living on Earth, donde fue editora científica. Sus reportajes han ganado numerosos premios, incluido el Premio de Medios del Instituto Americano de Ciencias Biológicas. Es colaboradora habitual de Yale e360 y actualmente es investigadora asociada en el programa científico NOVA de PBS. Más sobre Diane Toomey →

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