Electrodiálisis Inversa: Energía Azul a partir de Salmuera

La electrodiálisis inversa (RED) es una tecnología emergente que aprovecha las diferencias de salinidad entre dos soluciones para generar electricidad. Esta técnica es especialmente interesante en el contexto de la energía del gradiente salino (SGE), que puede obtenerse de fuentes naturales como la combinación de agua dulce y agua salada, o incluso de procesos industriales como la desalinización. Al combinar soluciones con diferentes concentraciones de sales, se crea un gradiente de potencial químico que, mediante el uso de membranas de intercambio iónico, puede ser transformado en energía eléctrica.

Principio de funcionamiento de la electrodiálisis inversa

El funcionamiento de RED se basa en la utilización de membranas de intercambio iónico (IEM), que permiten el paso de iones selectivos. Existen dos tipos de membranas utilizadas en estos sistemas:

1. Membranas de intercambio catiónico (CEM): Estas membranas permiten el paso de cationes (iones con carga positiva, como el sodio, Na⁺ ) y bloquean a los aniones.
2. Membranas de intercambio aniónico (AEM): Estas membranas permiten el paso de aniones (como el cloruro, Cl⁻ ) y bloquean a los cationes.

En un sistema de RED, estas membranas se apilan de manera alterna, formando un arreglo donde entre cada par de membranas fluye una solución de mayor o menor concentración de sales. A medida que los iones pasan de una solución a otra a través de las membranas, se genera un campo eléctrico que puede ser convertido en energía eléctrica en los electrodos.

Este proceso se diferencia de la electrodiálisis convencional (ED) en varios aspectos clave. Mientras que la ED requiere un campo eléctrico externo para impulsar el movimiento de los iones, en RED el proceso ocurre de manera espontánea debido al gradiente de potencial químico. Además, en la ED el objetivo es aumentar la diferencia de salinidad, mientras que en RED se busca disminuirla, aprovechando la energía liberada en el proceso.

La electrodiálisis inversa (RED) ha progresado considerablemente en los últimos años, consolidándose como una tecnología emergente para la generación de energía limpia a partir de gradientes de salinidad. El principio central de RED es aprovechar las diferencias de concentración salina entre dos corrientes de agua (normalmente agua de mar y agua dulce) para generar electricidad. Los recientes avances en las membranas de intercambio iónico (IEM) han sido cruciales para mejorar la eficiencia del proceso.

Uno de los principales desafíos de RED en sus primeras etapas era el alto costo y la baja eficiencia de las membranas. Sin embargo, los avances recientes en la síntesis de membranas AEM y CEM han permitido reducir estos costos de manera significativa. Se ha logrado disminuir el precio de las membranas de 50 €/m² a aproximadamente 4,3 €/m², haciendo que RED sea más competitiva en términos de costo energético, llegando a niveles cercanos a 0,14 €/kWh, lo que la posiciona de manera comparable con tecnologías más maduras como la solar y la eólica

Fuente de los datos: tethys-engineering.pnnl.gov

Diseño y configuración de los sistemas RED

El diseño de un sistema de electrodiálisis inversa consiste en una serie de celdas que contienen membranas de intercambio iónico y compartimientos de solución. Estos compartimientos son extremadamente delgados, del orden de micrómetros, lo que maximiza el contacto entre las soluciones y las membranas, aumentando la eficiencia del intercambio iónico. Además, el diseño de estos sistemas puede verse influenciado por la geometría de los compartimientos y el uso de espaciadores que optimizan el flujo de las soluciones a lo largo de las membranas.

Según estudios, el diseño de un equipo RED involucra consideraciones hidrodinámicas clave. El modelado multiescala se ha empleado para evaluar la interacción entre las celdas y optimizar el diseño, tomando en cuenta factores como la caída de presión y las corrientes parásitas, que son flujos iónicos no deseados que pueden reducir la eficiencia energética del sistema.

Aplicaciones y ventajas de la electrodiálisis inversa

Una de las aplicaciones más interesantes de RED es en esquemas híbridos de desalinización. Durante el proceso de desalinización de agua de mar, se genera una salmuera con una alta concentración de sales. Esta salmuera, que normalmente se descarta, puede ser utilizada en un sistema RED para recuperar parte de la energía utilizada en el proceso de desalinización, lo que reduce el costo energético global y mejora la sostenibilidad del proceso. Además, al integrar RED en procesos industriales o de tratamiento de aguas, se puede aprovechar el gradiente salino para generar electricidad de manera limpia.

Entre las ventajas principales de la electrodiálisis inversa se encuentran:

• Energía renovable y limpia: RED no emite gases de efecto invernadero ni requiere de combustibles fósiles.
• Aprovechamiento de subproductos industriales: La salmuera generada en procesos industriales, como la desalinización, se puede utilizar como fuente de energía en sistemas RED.
• Escalabilidad: La modularidad de los sistemas RED permite diseñarlos para aplicaciones tanto pequeñas como grandes, desde el uso doméstico hasta plantas industriales de gran escala.

Desafíos y áreas de mejora

A pesar de su potencial, la electrodiálisis inversa enfrenta varios desafíos que deben ser abordados para que su implementación sea económicamente viable y técnicamente eficiente. Uno de los mayores problemas es el costo de las membranas de intercambio iónico, que actualmente son caras y susceptibles a ensuciamiento o fouling. Además, el diseño de los sistemas debe mejorar para reducir la caída de presión en los canales y optimizar el flujo de las soluciones, lo cual es crucial para mejorar la eficiencia del sistema.

Pawlowski, S. (Tesis doctoral, 2015). Indica que para que RED sea competitiva el precio de membrana debe bajar de 4,3 €/m², lo que situaría el coste eléctrico en torno a 0,16 €/kWh.

Otro desafío importante es la eficiencia energética neta. Aunque los sistemas RED han demostrado generar electricidad de manera eficiente, aún existen pérdidas energéticas significativas debido a factores como las corrientes parásitas y las resistencias óhmicas en los canales. Los estudios actuales buscan optimizar el diseño de las celdas para maximizar la densidad de potencia neta y minimizar estas pérdidas.

Zenodo / Applied Energy, Tufa et al. 2018. Resume que con membranas a 4,3 €/m² el coste eléctrico proyectado es 0,17 €/kWh, posicionando a RED junto a solar y eólica.

Consideraciones futuras de la Electrodiálisis Inversa

Hay algunos puntos clave que se deben considerar sobre la electrodiálisis inversa (RED), basados en su potencial, desafíos y su futuro en el ámbito de las energías renovables.

1. El Potencial de la Eletrodialicis Inversa (RED) para Generación de Energía

Desde una perspectiva técnica, la RED es una solución innovadora que aprovecha el principio natural del gradiente salino, un recurso que está ampliamente disponible en las desembocaduras de ríos, plantas desalinizadoras y otras fuentes industriales. La gran ventaja de RED es que puede generar energía limpia y renovable en áreas costeras, y su aplicación en esquemas híbridos de desalinización es particularmente prometedora. En un contexto de creciente demanda energética global y escasez de agua, RED ofrece una doble solución: generar electricidad y reducir la carga energética de los procesos de desalinización.

2. Barreras Tecnológicas y Económicas

Sin embargo, como con muchas tecnologías emergentes, la Electrodiálisis Inversa enfrenta importantes obstáculos que necesitan ser resueltos para que su implementación sea económicamente viable. El costo de las membranas de intercambio iónico sigue siendo alto y afecta la competitividad de la tecnología en comparación con otras fuentes de energía renovable. Aunque las investigaciones actuales están explorando maneras de reducir estos costos, la realidad es que no parece probable que RED compita económicamente en el corto plazo con tecnologías más maduras como la solar o la eólica, que han experimentado reducciones drásticas en sus costes de instalación en la última década.

3. Eficiencia y Optimización Técnica

Otro aspecto crítico es la eficiencia energética de los sistemas RED. Aunque el principio de operación es relativamente simple, existen pérdidas significativas en el sistema debido a corrientes parásitas, caídas de presión y otros fenómenos que reducen la eficiencia neta. Estos factores no solo impactan la cantidad de energía que se puede extraer del gradiente salino, sino también los costos operativos, especialmente en términos de bombeo de fluidos y mantenimiento del sistema. Aquí es donde la investigación tiene un papel crucial: optimizar el diseño del sistema, mejorar los materiales de las membranas y desarrollar nuevas configuraciones que minimicen estas pérdidas.

4. Sostenibilidad a Largo Plazo y Comparación con Otras Tecnologías

A pesar de sus desafíos, es importante mencionar que la sostenibilidad a largo plazo de la RED la convierte en una opción atractiva. Si bien hoy no es la tecnología más competitiva en términos de costos de instalación y operación, tiene una ventaja que otras tecnologías renovables no ofrecen: el potencial para operar en entornos donde otras energías, como la solar o la eólica, no son viables, como en zonas industriales donde hay efluentes salinos o en procesos que ya están generando salmuera.

Comparativamente, en relación con tecnologías como la ósmosis retardada por presión (PRO), la RED tiene el beneficio de ser un proceso electroquímico directo, mientras que la PRO depende de la conversión de energía mecánica. Esto le da una mayor flexibilidad y una respuesta más rápida en la conversión de energía. Sin embargo, ambas tecnologías están en etapas similares de desarrollo y enfrentan problemas similares en cuanto a la eficiencia de las membranas y los costos de implementación.

5. Visión a Futuro

La Electrodiálisis Inversa tiene un gran potencial para convertirse en una fuente de energía renovable viable, particularmente en escenarios industriales o en combinación con tecnologías de desalinización. Sin embargo, su éxito dependerá en gran medida de los avances en investigación y desarrollo, tanto en la reducción de costos como en la mejora de la eficiencia del sistema. El reto es hacer de RED una tecnología competitiva frente a las fuentes de energía renovable más populares, lo que requerirá innovación continua, apoyo político y la colaboración entre el sector privado y académico.

Desde una perspectiva más crítica, si bien la RED es atractiva, no debe ser vista como una «solución milagrosa» que resolverá la crisis energética. En cambio, es una tecnología complementaria que puede jugar un papel importante en una matriz energética diversificada que combine varias fuentes renovables según el contexto local. Sin un enfoque holístico, que incluya incentivos económicos y un desarrollo más eficiente, la adopción masiva de RED podría enfrentar barreras considerables.

Resumen General

La electrodiálisis inversa (RED) transforma la energía libre de mezcla de dos corrientes con distinta salinidad típicamente agua de mar y efluente de baja salinidad en electricidad mediante pilas alternadas de membranas aniónicas (AEM) y catiónicas (CEM) que transportan iones en direcciones opuestas y generan un potencial que se recoge en los electrodos. Este principio permite explotar un recurso conocido como “energía azul”, cuyo potencial técnico mundial se ha cuantificado en torno a 980 GW, la segunda mayor fuente marina después de la hidráulica. Gracias a su operación continua e independencia del clima, RED resulta especialmente atractiva para desaladoras, depuradoras y otras instalaciones industriales costeras donde ya existen corrientes concentradas y diluidas, añadiendo valor energético a flujos que hoy se desechan.

El mayor obstáculo histórico era el coste de las membranas, que hace apenas una década superaba los 50 €/m². La investigación en nuevos polímeros y la producción a gran escala han rebajado ese precio a ~4,3 €/m² valor que diversos análisis identifican como umbral de rentabilidad. Con membranas en ese rango, los estudios económicos sitúan el coste nivelado de la electricidad entre 0,17 y 0,14 €/kWh, poniendo a RED en el mismo nivel competitivo que la solar y la eólica. Paralelamente, mejoras en espaciadores y en selectividad monovalente han elevado la densidad de potencia neta demostrada por encima de 1,8 W/m² en pilas piloto, acercando la eficiencia global a los requisitos comerciales.

La madurez tecnológica se refleja en proyectos reales: la planta Blue Energy de Redstack en el dique Afsluitdijk (Países Bajos) opera desde 2014 con una potencia continua de 50 kW, validando la tecnología con corrientes naturales de mar y lago. El proyecto REAPower instaló en Marsala (Italia) la primera unidad que emplea salmuera industrial y agua salobre, demostrando la viabilidad de RED en entornos de alta salinidad. Modelos de diseño óptimo aplicados a desaladoras medianas confirman que, bajo precios de membrana reducidos, la tecnología puede generar beneficios económicos netos y cubrir hasta 8 % de la demanda eléctrica de la planta sin emisiones adicionales. Con la fabricación de membranas a gran escala y la mitigación del fouling como focos actuales de I+D, RED se perfila como complemento firme a las renovables intermitentes y como vía para valorizar residuos salinos en la próxima década.