En Israel, el mar fluye casi literalmente hacia nuestros grifos. Los israelíes nos enorgullecemos de los logros de nuestro país en el campo de la desalinización, con cinco plantas repartidas por las costas israelíes del Mediterráneo, que producen agua potable equivalente a aproximadamente el 75% del consumo nacional de agua doméstica, y 2 instalaciones más que se construirán en los próximos años.
¿Una solución perfecta para un país desértico? Tal vez, pero todo tiene un costo: para hacer que el agua de mar o el agua salobre sean potables, las plantas de desalinización en Israel consumen mucha energía eléctrica.
Un nuevo invento, presentado recientemente en la 5ª conferencia bianual de estudiantes del Grand Water Research Institute (GWRI), intenta resolver este problema energético, e incluso podría crear una revolución en la disponibilidad de agua desalinizada en todo el mundo.
Esta invención de los investigadores de Technion consiste en una turbina eólica única, que no requiere electricidad para funcionar, y es barata y fácil de usar y mantener.
La energía eléctrica consumida hoy en día por los procesos de desalinización se sitúa en unos 3,5 kilovatios-hora (kWh) por cada metro cúbico de agua. A modo de ilustración, aproximadamente el 4% de toda la energía eléctrica producida en Israel en 2015 se utilizó para la desalinización.
Además de los altos costos ambientales de un consumo de energía tan vasto, energía que se produce en Israel principalmente mediante la quema de combustibles fósiles, la necesidad de tanta electricidad mantiene la tecnología de desalinización y purificación del agua fuera del alcance de más de mil millones de personas en todo el mundo que no tienen acceso a agua potable limpia.
En el núcleo de la nueva invención se encuentra una turbina no conocida por muchos: la turbina eólica de eje vertical (VAWT). Esta turbina gira alrededor de un eje vertical (para visualizar el movimiento de las palas de la turbina, imagine un hombre corriendo alrededor de un poste eléctrico), a diferencia de las turbinas eólicas más familiares, cuyo eje es horizontal.
A pesar de la prevalencia de las turbinas de eje horizontal, se han desarrollado configuraciones especiales de palas VAWT en el Technion.
"La punta de la pala de una turbina eólica 'normal' gira aproximadamente siete veces más rápido que el viento que la mueve, mientras que nuestras palas giran aproximadamente a la misma velocidad que el viento, es decir, hasta 7 veces más lentas que las turbinas eólicas tradicionales", explica David Keisar, de la Facultad de Ingeniería Mecánica del Technion, quien realizó la investigación, guiado por el profesor David Greenblatt, como parte de su tesis doctoral en el Grand Technion Energy Program (GTEP).
"Nuestras turbinas de eje vertical funcionan bien incluso a bajas velocidades del viento, y son muy eficientes en la producción de energía, teniendo en cuenta su tamaño y velocidad de rotación". Según Keisar, el hecho de que las turbinas de eje vertical giren lentamente las hace mucho más silenciosas que las de eje horizontal, así como más seguras para las aves, que pueden ver sus palas y no volar hacia ellas.
Keisar dice que otro beneficio de usar VAWT es el hecho de que las palas que giran están conectadas a un eje que abarca toda la altura de la turbina, de esta manera cualquier dispositivo que use la velocidad de rotación de la turbina, ya sea un generador eléctrico o cualquier otro dispositivo, se puede colocar cerca del suelo y no en la parte superior de la turbina, como requieren las turbinas de eje horizontal. Este hecho simplifica su instalación, así como su funcionamiento y mantenimiento regulares.
Otra ventaja de las VAWT es que pueden girar sin importar la dirección del viento que sopla sobre ellas, a diferencia de las turbinas de eje horizontal que funcionan de manera óptima sólo cuando miran hacia la dirección del viento (o contra el viento, según su diseño).
Mencionar todas estas ventajas plantea la pregunta: ¿por qué no utilizamos siempre turbinas de eje vertical en lugar de las conocidas de eje horizontal?
"Las turbinas de eje horizontal son aún mejores para generar electricidad de alta potencia, y económicamente son las más eficientes a gran escala", explica Keisar. Además, dice, el eje y los cojinetes (partes que reducen la fricción durante el giro) de los VAWT tienden a desmoronarse y romperse más rápido que sus contrapartes de eje horizontal.
"Sin embargo, este problema aumenta principalmente cuando las turbinas de eje vertical son grandes", asegura Keisar. "Cuando son pequeños, funcionan bien y son mucho más robustos", añade.
Por lo tanto, en sistemas pequeños que están destinados a ser utilizados en lugares distantes por no profesionales, las ventajas de las turbinas de eje vertical, al poder funcionar con viento de baja velocidad, sin importar en qué dirección sopla, así como su facilidad de instalación y mantenimiento, las convierten en una mejor solución que las de eje horizontal.
El objetivo de la investigación dirigida por Greenblatt era desarrollar un sistema de desalinización simple y pequeño alimentado directamente por energía eólica. Los investigadores se centraron en desalinizar agua salobre, con una concentración de sales de hasta el 1 por ciento (donde la concentración de sal en el agua de mar es más del 3 por ciento).
"Nos dimos cuenta de que el eje de VAWT se puede conectar mecánica y directamente a una bomba de agua en el suelo (sin la necesidad de generar electricidad para hacer funcionar la bomba, J.S.) que inicia el proceso de desalinización", recuerda Keisar. Es decir, en tal configuración, el eje alrededor del cual giran las palas de la turbina está conectado directamente a un eje en la bomba de agua.
Como primer paso, los investigadores conectaron una bomba de agua a una VAWT en un túnel de viento (un canal grande con un ventilador en un extremo que puede soplar viento a una velocidad controlada). Intentaron ver si el sistema podría funcionar de manera óptima sin sistemas de control electrónico para coordinar el funcionamiento de la turbina y la bomba, ya que tales sistemas requieren electricidad.
Para consternación de los investigadores, los resultados de este primer experimento fueron decepcionantes. "Alrededor del 3% de la energía eólica se convirtió en fuerza hidráulica (es decir, fuerza de bombeo de agua), muy ineficiente", explica Keisar. "Nos tomó tiempo darnos cuenta de lo que salió mal: el tamaño de la turbina era demasiado pequeño para la bomba, y la bomba no era lo suficientemente buena para nuestro sistema".
A pesar de esta dificultad, los investigadores no dejaron de perseguir su objetivo: para un segundo experimento, se desarrolló en su laboratorio una turbina única, más grande y eficiente. Esta turbina mide 80 centímetros por un metro de tamaño, y utiliza vórtices de aire para mejorar su eficiencia.
Además, utilizando sus resultados anteriores, construyeron un modelo matemático que puede estimar mejor qué bomba de agua necesitan. La bomba presuriza el agua salobre a través de un sistema de desalinización por ósmosis inversa, el principal tipo de sistema de desalinización hoy en día, tanto en Israel como en todo el mundo.
La ósmosis inversa implica el uso de alta presión para conducir agua de mar o agua salobre a través de una membrana parcialmente permeable: se permite que el agua fluya libremente a través de ella, pero aproximadamente el 99% de las sales están bloqueadas. Después de pasar a través de la membrana, el agua es potable, ya que están casi completamente libres de sales.
Este segundo experimento terminó con gran éxito. "Logramos crear un sistema que convierte alrededor del 12-17 por ciento de la energía eólica de entrada directamente en fuerza hidráulica, para casi cualquier velocidad del viento y un rango especialmente amplio de salinidad", dice Keisar.
"Es tan eficiente, si no más, como generar electricidad a partir de energía eólica y luego convertirla en energía hidráulica utilizando una bomba eléctrica", nos dice Keisar.
"Por ejemplo, cuando la velocidad del viento es de 5 metros por segundo, que es su velocidad promedio en Haifa, donde se encuentra nuestro laboratorio, el sistema es capaz de producir entre 500 y 1.000 litros de agua desalinizada y eliminar aproximadamente el 93-98.5 por ciento de las sales (dependiendo de la salinidad y la presión del agua)".
Es cierto que es una cantidad muy modesta de agua, pero debe considerarse el hecho de que el experimento utilizó sólo un pequeño sistema de demostración. Para un experimento de seguimiento, los investigadores planean construir un sistema más grande y probarlo en el Negev o el Arava, para la simulación de cómo funcionaría en lugares remotos, donde dicho sistema podría usarse para producir agua potable fresca para las comunidades necesitadas.
Este sistema simple desarrollado por los investigadores podría ser revolucionario a escala global para su posible uso por parte de comunidades energéticamente pobres sin acceso a agua dulce limpia. Según la ONU, hay alrededor de 1.2 millones de personas hoy en día, y según las predicciones actuales, este número debería crecer a alrededor de 1.6 millones de personas para 2030.
"En realidad, el sistema que hemos desarrollado funciona completamente sin electricidad: no es necesario generar ninguna o extraerla de una fuente externa, como una red eléctrica o cualquier sistema de almacenamiento de energía", dice Keisar.
"El sistema es pequeño y relativamente barato porque no requiere componentes electrónicos. Al ser mecánico, también es mucho más fácil de mantener, y reparar, cuando sea necesario, y puede ser configurado y cuidado incluso por personas que no fueron ampliamente capacitadas para ese propósito", agrega.
Los investigadores están patentando actualmente su sistema con el objetivo de comercializarlo. Los primeros sistemas para suministrar agua dulce a las comunidades necesitadas deberían estar en funcionamiento en unos pocos años, esperan.
Según Keisar, la desalinización no es el único propósito que estos sistemas podrían servir: "también se pueden utilizar para la mejora de la calidad del agua potable en general, ya que se pueden conectar a máquinas capaces de limpiar muchos tipos de contaminación del agua, purificándola", dice. "La idea es desarrollar diferentes sistemas que combinen turbinas eólicas de eje vertical con máquinas de tratamiento de agua, todas simples, baratas y fáciles de administrar".
