ES2614940T3 - Método para producir energía eléctrica que utiliza soluciones con diferente concentración iónica - Google Patents

Método para producir energía eléctrica que utiliza soluciones con diferente concentración iónica Download PDF

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Abstract

Método para generar energía eléctrica a partir de soluciones (14, 16) de diferentes concentraciones iónicas que comprende las etapas de: - proporcionar una celda (22) que comprende al menos dos electrodos (18, 20) hechos de material conductor con una separación, con los electrodos conectados en serie a la carga (12), y un interruptor (38) para abrir o cerrar el circuito en el cual está insertada la carga; - obtener una fase de alta concentración, en la que el líquido en la celda, en el que al menos dos electrodos están al menos parcialmente sumergidos, está principalmente compuesto de la solución (14) que tiene una alta concentración iónica así como la otra solución (16); - permitir que fluya una corriente entre los electrodos en la fase de alta concentración de manera que estos estén cargados eléctricamente en una fase de carga; - obtener una fase de baja concentración, en la que el líquido en la celda, en el que al menos dos electrodos están al menos parcialmente sumergidos, está principalmente compuesto de la otra solución (16); y - permitir que fluya una corriente entre los electrodos a través de la carga (12) en la fase de baja concentración de manera que estos estén descargados en una fase de descarga, en el que la energía consumida durante la fase de carga es menor que la energía extraída durante la fase de descarga, de manera que la energía se extrae a partir de la diferencia de concentración iónica de las soluciones, teniendo el método cuatro fases: 1) abrir el interruptor y llenar la celda con la solución que tiene una mayor concentración iónica; 2) cerrar el interruptor de manera que la corriente fluya a través de los electrodos, alimentando la carga; 3) abrir el interruptor y llenar la celda con la solución que tiene menor concentración; y 4) cerrar el interruptor de manera que la corriente fluya a través de los electrodos, alimentando la carga, en el que la concentración iónica de dicho líquido en el que están sumergidos los electrodos durante dicha fase de carga es mayor que la concentración iónica de dicho líquido en el que los electrodos están sumergidos durante dicha fase de descarga.

Description

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DESCRIPCION
Metodo para producir energla electrica que utiliza soluciones con diferente concentracion ionica
La presente invencion se refiere a un dispositivo y metodo para generar energla electrica que utiliza soluciones con diferente concentracion ionica. Tal dispositivo se puede utilizar, por ejemplo, para producir corriente electrica mediante la explotacion de la diferencia de salinidad entre el agua dulce, procedente de los rlos o lagos, y el agua salada del mar, o entre agua salada del mar y agua de alta concentracion de sal obtenida mediante estanques de evaporacion.
El documento US 2003/0063430 se refiere a un proceso capacitivo de desionizacion (CDI). El proceso DCI utiliza un campo de corriente continua para adsorber y desplazar iones de las soluciones.
El documento JP 08 126294 A describe un dispositivo capaz de producir energla electrica con un condensador utilizando el movimiento de ola.
El documento US 6 309 532 B1 describe un metodo y aparato para desionizacion capacitiva y purificacion electromecanica y regeneracion de electrodos.
El documento US 6 939 994 B1 describe un generador de energla electrostatico que comprende dos electrodos que forman un condensador.
El interes en explotar la diferencia de salinidad, o gradiente de salinidad, se remonta a la decada de 1970, y reside en el hecho de que esta fuente de energla esta disponible en gran parte, barata, no contaminante y renovable.
Las principales soluciones que se han desarrollado se denominan “Presion de Osmosis Retardada” (PRO), “Electro Dialisis Inversa” (RED) y “Presion de Vapor” (VP).
Los tres metodos pueden llegar a producir elegla del orden de MW con un caudal de 1 m3/s de agua dulce.
Los dispositivos PRO se basan en una membrana semipermeable, que separa el agua dulce del agua salada. La presion osmotica es de aproximadamente 24 atm, que corresponde a aproximadamente 250 m de altura de columna de agua. El flujo osmotico resultante se utiliza para accionar y rodar, posiblemente una turbina, que, a su vez, acciona un alternador o una dinamo. El problema de este tipo de dispositivos es la necesidad de gran cantidad de membranas semipermeables, de alta permeabilidad, resistentes a altas presiones. Estas membranas son relativamente caras, y su rendimiento baja rapidamente, debido a las incrustaciones.
Los dispositivos RED tambien se basan en membranas. En este caso, son membranas selectivas, que son permeables a los iones positivos o negativos; las membranas se apilan alternadas, y el agua con diferente salinidad crea un flujo a traves de ellas.
El paso selectivo de iones genera diferencias de potencial, que se traducen en corrientes electricas a traves de electrodos. Las membranas para dispositivos RED son todavla mas caras que las del PRO, e igualmente sensibles a los materiales en suspension.
Para evitar la utilizacion de membranas, se desarrollaron finalmente dispositivos VP, basados en la diferente presion de vapor del agua dulce y el agua salada. La diferencia de presion se utiliza para accionar una turbina, que a su vez acciona un alternador o una dinamo. La pequena diferencia de presion es el mayor obstaculo en el desarrollo de estos sistemas.
Los sistemas PRO y VP, que requieren partes moviles, son mas adecuados para las grandes instalaciones, mientras que para las instalaciones pequenas o domesticas los RED son mas prometedores. A pesar del gran interes, el coste de estas tecnologlas es aun alto, y todavla no se han generalizado.
El proposito de esta invencion es por consiguiente realizar un metodo para generar electricidad, utilizando soluciones con diferentes concentraciones ionicas, que supera los inconvenientes de la tecnica conocida, es decir, sin necesidad de membranas, ni de los mecanismos que convierten el movimiento mecanico en electricidad, tales como alternadores o dinamos. Ademas, otro objetivo de la invencion es realizar un dispositivo capaz de alcanzar valores altos de energla, para una cantidad dada de solucion ionica utilizada.
Estos objetivos, de acuerdo con la presente invencion, se consiguen mediante la realizacion del metodo como se establece en la reivindicacion 1. En las reivindicaciones siguientes se establecen caracterlsticas adicionales de la presente invencion.
La invencion ademas se refiere tambien a un metodo para generar energla electrica utilizando un dispositivo como se ha descrito anteriormente. Tal metodo proporciona los mismos efectos y ventajas como se ha descrito para el
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dispositivo.
Las caracterlsticas y las ventajas referentes al metodo para generar electricidad mediante la utilizacion de soluciones con diferentes concentraciones de acuerdo con la presente invention, seran mas evidentes a partir de la description a continuation, ilustrativa pero no restrictiva, haciendo referencia a los dibujos esquematicos adjuntos, en los que:
- La figura 1 es un esquema general de un ejemplo de implementation preferente de un dispositivo para generar electricidad mediante la utilizacion de soluciones con diferentes concentraciones ionicas de acuerdo con la presente invencion;
- Las Figuras 2, 3 y 4 muestran diagramas de los tres ejemplos, ilustrativos pero no restrictivos, de implementacion del sistema hidraulico y de la celda, que muestran como las soluciones se pueden utilizar con el fin de cambiar la concentration ionica dentro de la celda;
- Las Figuras 5 y 6 muestran el esquema detallado de una realization posible de la celda y de la disposition de los electrodos e, ilustrativo pero no de forma restrictiva, en la vista de despiece, en la vista axonometrica y de proyeccion ortogonal; y
- La Figura 7 muestra el esquema electrico general concerniente a una posible implementacion del sistema electrico, ilustrativo pero no de forma restrictiva, que es responsable de la carga y descarga de los electrodos.
Con referencia concreta a la Figura 1, se muestra esquematicamente un ejemplo preferido, que concierne a una realizacion de un dispositivo para la generacion de electricidad utilizando soluciones con diferentes concentraciones ionicas de acuerdo con la presente invencion, indicada en general con el numero de referencia 10. La fuente de energla utilizada por el dispositivo es la diferencia de concentracion ionica de las dos soluciones 14 y 16, de manera que la solution 14 tiene una concentracion ionica mas alta que la solution 16. En una aplicacion tlpica, las dos soluciones son agua dulce de un rlo y agua salada del mar, o agua de mar y agua de un estanque de evaporation.
La celda 22 contiene un llquido, obtenido a partir de una de estas soluciones 14 y 16, o una mezcla de ellas. El metodo se caracteriza por el hecho de que el llquido contenido en la celda 22 es modificado en su composition, mediante la inyeccion en la celda, en diferentes momentos y en diferentes proporciones, de dos soluciones 14 y 16, con el fin de alterar la concentracion ionica de la solucion en la celda 22, o en sus partes. Esta operation tiene como objetivo obtener al menos dos fases diferentes: una “fase de alta concentracion”, en la que el llquido de la celda 22 esta compuesto principalmente de la solucion 14 y una “fase de baja concentracion”, en la que el llquido de la celda 22 esta compuesto principalmente de la solucion 16.
El dispositivo incluye al menos dos electrodos 18 y 20, al menos parcialmente inmersos en el llquido en la celda 22. En una parte de la “fase de alta concentracion” se genera un flujo de corriente entre los electrodos 18 y 20, de manera que se cargan electricamente (fase de carga): se comportan como un condensador. Si el voltaje no excede el valor en el que se pueden activar las reacciones redox, el condensador retiene su carga. En el caso de soluciones acuosas, el valor llmite de la diferencia de potencial es 1V. En esta fase, la energla se consume. Cuando mas tarde se inicia “la fase de baja concentracion”, la capacitancia equivalente del condensador formado por los dos electrodos 18 y 20 disminuye. Ya que su carga acumulada no se reduce, su energla electrostatica aumenta, y se utiliza, por lo que permite un flujo de corriente entre los electrodos a traves de la carga 12 (fase de descarga). La energla consumida durante la fase de carga es menor que la energla extralda durante la fase de descarga, de manera que el sistema efectivamente ha extraldo energla utilizando la energla libre procedente de la diferencia de concentracion ionica de las soluciones.
Desde el punto de vista de la conservation de la energla, esta energla se extrae a expensas de la elegla termica del llquido: con el fin de mantener la temperatura, el llquido absorbe calor. Desde el punto de vista de la segunda ley de la termodinamica, el sistema utiliza la energla libre de la diferencia de concentracion ionica: en realidad, despues de la extraction de energla, parte de las soluciones iniciales se llegan a mezclar, y aumenta su entropla.
La utilizacion de electrodos de material poroso aumenta la capacitancia del sistema y permite reducir el tamano de los electrodos. En particular, carbon activado, aerogeles de carbono y nanotubos, desarrollados para construir supercondensadores, se pueden emplear de manera util en esta invencion.
El sistema que es responsable de cambiar la composicion del llquido en la celda 22 y la propia celda se pueden implementar de cualquier manera; se muestran tres ejemplos en las figuras 2, 3 y 4; estas figuras son ilustrativas pero no de restriction.
En la Figura 2, los dos electrodos 18 y 20 estan dispuestos en paredes opuestas de al celda 22. El espacio entre los electrodos 18 y 20 se llena alternativamente con la solucion 14 o 16, mediante la activation de una de las dos bombas 24 o 26. Esto permite cambiar de la “fase de alta concentracion”, despues que se ha activado la bomba 24, a la “fase de baja concentracion”, despues que se ha activado la bomba 26.
En el esquema propuesto en la Figura 3, los electrodos 18 y 20 se situan en paralelo entre si, a una pequena distancia, y estan compuestos de material poroso. La celda 22 se divide por el par de electrodos 18 y 20, que
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constituyen una separacion, en dos partes. En este caso, las bombas 24 y 26 generan flujo, en diferentes etapas, de las soluciones 14 y 16 en las dos partes de la celda. Cuando la bomba 24 se activa y la bomba 26 se desactiva, la solucion 14 fluye, y, a traves de la difusion, la concentration a traves de toda la celda aumenta, y se obtiene la “fase de alta concentracion”. Posteriormente, la bomba 24 se desactiva y la bomba 26 se activa. A traves de la difusion la concentracion del llquido en la celda disminuye.
En el esquema propuesto en la Figura 4, la celda 22 se compone de dos compartimentos separados, cada uno de los cuales contiene una de las soluciones 14 y 16. Los electrodos 18 y 20 se desplazan desde un compartimento al otro en las fases posteriores. Cuando los electrodos 18 y 20 estan inmersos en la solucion 14 tiene lugar la “fase de alta concentracion”, mientra que cuando estan inmersos en la solucion 16 tiene lugar la “fase de baja concentracion”.
De acuerdo con un ejemplo practico para implementar el dispositivo para generar electricidad de acuerdo con la presente invention, los electrodos estan hechos de placas cuadradas de grafito, de 10 cm de lado y 1 mm de espesor. En estas placas se deposita una capa de 0,1 mm de espesor, compuesta de carbon activado. Esta deposicion se puede hacer siguiendo los procedimientos adoptados para fabricar supercondensadores hechos de carbon activado. En un ejemplo de un procedimiento para la obtencion de esta capa, el carbon activado en primer lugar es molido en granos de menos de un micron; se mezcla con una cantidad del 5% en comparacion con el carbono de un pollmero que actua como aglutinante (por ejemplo, fluoruro de polivinilideno, PVDF); se mezcla con un disolvente adecuado para el pollmero (por ejemplo, dimetilacetamida o N-metil-2-pirrolidona) en cantidades adecuadas para obtener la disolucion completa del pollmero, y una consistencia igual a la de una pintura para la brocha; finalmente, la suspension as! obtenida se extiende en una cara de las placas de grafito, con un espesor de 0,1 mm y se deja secar.
Una sola celda (Figuras 5 y 6) se obtiene mediante la union de un par de placas, en paralelo, a una distancia de 1 mm, de manera que la capa de carbon activado se encuentra dentro del espacio entre las placas. Estas constituyen los electrodos 18 y 20. Dos lados opuestos de las placas se sellan con juntas 28, y los dos lados restantes estan conectados a los conductos 30 y 32, que constituyen un sistema hidraulico que permite llenar el espacio entre las placas en fases sucesivas, con agua salada que viene del mar y agua dulce que viene de un rlo, que tambien puede contener una pequena cantidad de agua de mar, con el fin de aumentar la conductividad.
Dos cables de cobre se colocan fuera, conectados a cada placa.
Un circuito electrico que utiliza el dispositivo 10 se muestra esquematicamente en la Figura 7. Los electrodos 18 y 20 estan conectados en serie con la carga 12 y el condensador 36, con 300 F de capacitancia (un supercondensador). El circuito en el que se inserta la carga 12 se puede abrir o cerrar por medio del interruptor 38. Cuando el circuito esta abierto, la fuente de alimentation 34, que suministra 400 mV, se conecta al condensador 36 con el fin de recargarlo.
El metodo consta de cuatro fases:
1) El interruptor 38 abre el circuito de carga 12. La celda 22 se llena con agua salada. El condensador 36 se recarga hasta el voltaje de 400 mV mediante la fuente de alimentacion 34.
2) El interruptor 38 cierra el circuito de carga 12. Una corriente fluye a traves de los electrodos 18 y 20, que alimentan la carga 12.
3) El interruptor 38 abre el circuito de carga 12. La celda 22 se llena con agua dulce. El condensador 36 se recarga hasta el voltaje de 400 mV mediante la fuente de alimentacion 34.
4) El interruptor 38 cierra el circuito de carga 12. Una corriente fluye a traves de los electrodos 18 y 20, que alimentan la carga 12.
En cada ciclo, una energla de alrededor de 20 mJ se proporciona a la carga. El agua que circula en la celda en cada ciclo es 10 cm3. Parte de la energla se consume en las fases 1 y 3 para cargar el condensador 36, con el fin de compensar la perdida de corriente (alrededor de 1 mJ), y en las fases 2 y 4 para mover el fluido (alrededor de 1 mJ). Este consumo de energla se debe restar de la energla suministrada a la carga. Un sistema puede incluir un gran numero de celdas, con el fin de alcanzar la energla requerida, o celdas mas granes.
De este modo se ha mostrado que el dispositivo y el metodo para generar energla electrica mediante la utilization de soluciones con diferentes concentraciones ionicas de acuerdo con la presente invencion consiguen los fines anteriormente mencionados. En particular, se ha mostrado que el dispositivo es capaz de generar electricidad mediante la utilizacion de soluciones ionicas a diferentes concentraciones; en comparacion con la tecnica conocida, es posible apreciar la oportunidad de evitar el uso tanto de dinamos como de alternadores, y membranas semi- permeables, selectivas o de intercambio ionico; esta caracterlstica permite reducir los costes y mantenimiento. Por otra parte, se puede observar que el dispositivo no altera de forma significativa la composition cualitativa de las soluciones de entrada, sino que simplemente cambia la concentracion, como si estas se mezclasen, asegurando por lo tanto la mas completa ausencia de contamination.
El dispositivo que genera electricidad utilizando soluciones con diferentes concentraciones ionicas de la presente
invencion as! concebido es susceptible en todo caso de numerosas modificaciones y variantes, incluidas todas ellas dentro del mismo concepto inventivo; por otra parte, todos los detalles se pueden reemplazar por elementos tecnicamente equivalentes. En la practica, las formas y tamanos pueden ser cualquiera que sea, de acuerdo con los requerimientos tecnicos.
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Por consiguiente el alcance de proteccion de la invencion se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo para generar energla electrica a partir de soluciones (14, 16) de diferentes concentraciones ionicas que comprende las etapas de:
    - proporcionar una celda (22) que comprende al menos dos electrodos (18, 20) hechos de material conductor con una separacion, con los electrodos conectados en serie a la carga (12), y un interruptor (38) para abrir o cerrar el circuito en el cual esta insertada la carga;
    - obtener una fase de alta concentracion, en la que el llquido en la celda, en el que al menos dos electrodos estan al menos parcialmente sumergidos, esta principalmente compuesto de la solucion (14) que tiene una alta concentracion ionica as! como la otra solucion (16);
    - permitir que fluya una corriente entre los electrodos en la fase de alta concentracion de manera que estos esten cargados electricamente en una fase de carga;
    - obtener una fase de baja concentracion, en la que el llquido en la celda, en el que al menos dos electrodos
    estan al menos parcialmente sumergidos, esta principalmente compuesto de la otra solucion (16); y
    - permitir que fluya una corriente entre los electrodos a traves de la carga (12) en la fase de baja
    concentracion de manera que estos esten descargados en una fase de descarga,
    en el que la energla consumida durante la fase de carga es menor que la energla extralda durante la fase de
    descarga, de manera que la energla se extrae a partir de la diferencia de concentracion ionica de las soluciones,
    teniendo el metodo cuatro fases:
    1) abrir el interruptor y llenar la celda con la solucion que tiene una mayor concentracion ionica;
    2) cerrar el interruptor de manera que la corriente fluya a traves de los electrodos, alimentando la carga;
    3) abrir el interruptor y llenar la celda con la solucion que tiene menor concentracion; y
    4) cerrar el interruptor de manera que la corriente fluya a traves de los electrodos, alimentando la carga, en el que la concentracion ionica de dicho llquido en el que estan sumergidos los electrodos durante dicha fase de carga es mayor que la concentracion ionica de dicho llquido en el que los electrodos estan sumergidos durante dicha fase de descarga.
  2. 2. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que dichos electrodos son fijos, y al menos dos diferentes de entre dichas soluciones con diferente concentracion ionica se permiten el flujo y toman contacto con dichos electrodos, en las fases posteriores.
  3. 3. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que dichos electrodos son moviles, y se mueven de manera que estan sumergidos en una diferente de entre dichas soluciones en las fases posteriores.
  4. 4. Metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que al menos uno de dichos electrodos esta hecho de un material conductor poroso.
  5. 5. Metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que una de dichas soluciones utilizadas esta constituida por agua dulce, que incluye la que esta tomada de rlos, lagos, lagunas de baja salinidad, agua del freatico, procedente de precipitaciones tanto en forma llquida como solida.
  6. 6. Metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que una de dichas soluciones utilizadas esta constituida por agua salada, incluyendo agua tomada del mar, lagunas de alta salinidad, pozos cerca de la costa.
  7. 7. Metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que una de las soluciones utilizadas esta constituida por agua salada, cuya concentracion se ha incrementado por evaporacion.
  8. 8. Metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que una de dichas soluciones utilizadas esta constituida por agua dulce, mezclada en cualquier proporcion con agua salada.
  9. 9. Metodo de acuerdo con una o mas de las reivindicaciones anteriores, en el que el voltaje no excede el valor en el cual las reacciones redox se pueden activar de manera que los electrodos retienen sus cargas.
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