¿A quién se le habrá ocurrido la idea de mezclar agua dulce con agua salada para generar energía? Sabemos que Norman Richard, en 1974, fue el primero en publicar un artículo científico, en la revisa Science (Water salination: a source of energy), sobre tal hipótesis, aunque lo que se conoce como gradiente salino o energía azul es un concepto planteado inicialmente en la década de los años cincuenta. Pese a la antigüedad de la teoría, eran pocos los avances que se habían logrado hasta hace 10 años, cuando los investigadores de todo el mundo, impulsados por el progreso tecnológico, se propusieron la tarea de perfeccionar mecanismos para aprovechar la energía que se libera durante el proceso de mezcla termodinámica del agua dulce de los ríos cuando desembocan en el mar.

La idea es menos exótica de lo que parece y hasta el momento hay dos técnicas con mayor progreso para hacerlo: la ósmosis de presión retardada (PRO) y la electrodiálisis inversa (RED). Ambos mecanismos se basan en tecnología de membranas semipermeables que usan la diferencia de potencial químico entre el agua dulce y salada para producir transporte del agua o los iones de sal a través de las membranas.

La PRO simula a nivel industrial el proceso que hacen las células para dejar entrar los nutrientes en su interior, lo cual hacen mediante diferencias de presiones. Al mezclar agua dulce y salada se dan diferencias de concentraciones de sales dentro y fuera de la célula, por lo que la pared celular, que es semipermeable, permite que una de las dos aguas pase. En una planta industrial de estas, la membrana posibilita el transporte de agua dulce al compartimiento de agua salada, lo cual aumenta la presión. La subida de nivel representa una ganancia de energía potencial o de presión que luego se puede transformar en energía eléctrica (ver infografía de ósmosis). 

En RED se simula una batería de agua; el sistema de membranas separa el agua dulce de la salada, y solo permite el paso de iones de sodio (positivo) en dirección hacia un cátodo y los iones de cloro (negativo) se desplazan en la dirección contraria hacia un ánodo. Como resultado se produce un flujo de electricidad desde el extremo negativo al positivo, igual que una batería convencional. Esta segunda tecnología es la que usa la planta piloto más grande del mundo en Holanda.

“La diferencia de energía química entre el agua dulce y salada es la fuente de energía; la volvemos energía potencial y luego presión que se utiliza para mover una turbina hidroeléctrica convencional y tenemos electricidad”, explica Óscar Álvarez, profesor del departamento de Física y Geociencias, uno de los pioneros en investigar este tipo de energías en el país. El desarrollo de una membrana artificial que simule lo que hacen las células ha sido el meollo del asunto.

Holanda lidera los avances en la materia. Con una inversión cercana a los seis millones de euros, levantaron una planta en el dique Afsluitdijk —que separa el lago Ijsselmeer del mar de Frisia—, con la cual generan 50 kilovatios, lo equivalente a mantener encendidos dos electrodomésticos potentes. El costo para aprovechar esta energía muestra el nivel experimental en que todavía se encuentra la tecnología, pero abre una puerta que acerca a la ciencia con una posibilidad que parecía poco improbable hace algunos años. Se proyecta que en 10 años la tecnología sea optimizada y pueda ser comercializada.

Óscar Álvarez, doctor en ciencias del mar y miembro del grupo de investigación en Geociencias de Uninorte, confía en el potencial de Colombia para explotar este tipo de energías. En conjunto con un grupo de ingenieros de la Universidad Nacional, sede Medellín, han dado pasos importantes en el camino hacia esclarecer las posibilidades que tiene el país para generar energías renovables en el mar. De hecho, determinaron que el río Magdalena es uno de los diez ríos en el mundo con mayor potencial de generación de energía mediante los gradientes de salinidad; más exactamente es el número seis.

Para establecer el potencial del Magdalena, los investigadores colombianos hicieron una caracterización general de cuáles condiciones debe tener una desembocadura para instalar la tecnología y generar energía. Desarrollaron modelos, a partir de bases de datos sobre los ríos de todo el mundo, para identificar su potencial y calcular cuánta energía se podría desarrollar en cada desembocadura. En total se incluyeron 921 ríos que contaban con información sobre caudales, salinidad y temperatura del agua de los ríos y del mar cercano y amplitud de la marea en la desembocadura.

“Encontramos que las desembocaduras ideales son aquellas en las que hay caudales importantes, como en el Magdalena, y mareas pequeñas, porque la marea es la que mezcla todo. Cuando hay mareas pequeñas no hay mezcla, entonces el río, como es menos denso, se va por encima del mar, formando estratificación vertical, que es la situación ideal que buscamos para generar este tipo de energía”, dice Álvarez y explica que el proceso que se emplea es el mismo que se utiliza para desalinizar agua, pero al revés: “Si se requiere energía para desalinizar agua, cuando salinizas agua puedes obtener energía. Si un proceso gasta energía, el proceso contrario la aporta”. La lógica de la ciencia.

Los hallazgos de los profesores fueron bien recibidos a nivel mundial y en la actualidad son referencia en este campo de estudio. Álvarez no alardea, por el contrario, se muestra sorprendido por la recepción científica que tuvo su trabajo, puesto que, según dice, el potencial de las desembocaduras usualmente se determina sin tener información detallada del mar y de los ríos. Debe ser porque fueron los primeros en hacerse una pregunta anticipada al momento actual: mientras los científicos exploran mecanismos para aprovechar esta energía, ellos indagaron cuánta energía se podría aprovechar realmente y en dónde. Ahora siguen buscando información mundial para reforzar la base de datos, gracias al trabajo de estudiantes de maestría y doctorado de Uninorte.

Óscar Álvarez es profesor e investigador del departamento de Física y Geociencias de Uninorte.

Potencial energético alucinante

En teoría, por cada metro cúbico de agua que se mezcle se podrían generar dos mega vatios. “Es una cosa alucinante, una central hidroeléctrica para un pueblo es de cinco mega vatios de capacidad instalada, y aquí tenemos que con cada tres metros cúbicos de agua que se mezcla por segundo se podría prender un pueblo. Pero la teoría hay que llevarla a un número real y eso fue lo que hicimos”, comenta Álvarez.

Las investigaciones de los oceanógrafos nacionales los llevó a concluir que de ese potencial teórico (basado en que toda el agua dulce que desemboca en el mar pueda usarse para generar energía) solo se puede llevar a la práctica entre el 2 y 3%, cuando se considera todo lo que entra en juego. Estudiaron qué porcentaje del agua de los ríos se podría usar para generar energía sin dejar desbalances en el medio ambiente, así como la variabilidad de la disponibilidad del recurso energético y el estado actual de las tecnologías y el grado de estratificación de las desembocaduras.

Con base en las restricciones ambientales, el potencial se reduce al 20 %, es decir 0,4 mega julios. Y a partir del análisis de los caudales de los ríos durante las distintas épocas del año, encontraron que, en promedio, en el mundo se podría generar este tipo de energía durante el 84 % del año. Un porcentaje mayor al de otras fuentes de energía renovable, como la solar (40 %) o la eólica (23 %).

De acuerdo con Álvarez, el potencial energético de la mezcla de agua de río y mar, en teoría, es de alrededor de 0,5 kilovatios por hora, por cada metro cúbico de agua dulce y salada mezclada. Una generación equivalente a la energía hidroeléctrica obtenible con una caída de agua de alrededor de 200 metros de altura. Con este estimado, los expertos han determinado que el potencial teórico global de energía de gradiente salino en las desembocaduras de los ríos podría cubrir el 74% de la demanda global de electricidad. Un porcentaje nada despreciable. Los resultados de la investigación de Álvarez fueron publicados en la revista Renewable & Sustainable Energy Reviews, en el artículo Practical global salinity gradient energy potential, donde el profesor analiza las limitaciones físicas y ambientales que enfrentan los sistemas de gradiente salino.

“En ríos como el Magdalena, en épocas de caudales bajos tenemos 3000 metros cúbicos por segundo, en la época de caudales altos tenemos 10 000. Cuando está muy bajo no se podría sacar el agua porque afecta los procesos naturales, por eso hay que estudiar los ciclos de los ríos y determinar un caudal mínimo para que funcione”, señala Álvarez.

Luego de todo el análisis y la capacidad del río Magdalena, los números menos ambiciosos son una buena noticia para el país: “si solo pudiéramos aprovechar el 2 o 3 % del río podríamos generar la misma energía que la termoeléctrica de Las Flores, que da respaldo en Barranquilla cuando se presenta el Fenómeno del Niño y genera 620 megavatios de electricidad, aproximadamente el 10% del consumo eléctrico de Colombia”. Y siguen las buenas noticias: no solamente se podría aplicar en el Magdalena; todos nuestros ríos del Caribe son apropiados: Sinú, Atrato o el Canal del Dique.

¿Una planta en Colombia?

A los investigadores les inquieta que el Magdalena sea uno de los ríos con más potencial para desarrollar este tipo de energías y todavía no estemos apostando en grande para consolidar esta tecnología en el país. Los expertos consideran que con una inversión inicial de 800 millones de pesos se podría implementar un prototipo para poner a funcionar esta tecnología y perfeccionarla con el estudio de ingenieros, oceanógrafos, físicos y químicos nacionales. Y en este punto no guarda reparos en destacar lo que han logrado.

“En este tema estamos —con la humildad del caso, pero sin temor a decirlo— a la vanguardia mundial. Conocemos lo relacionado con cómo instalar una planta de estas en una desembocadura, y nos hemos convertido en referente en cuanto a implementación de esta tecnología en campo, porque la mayoría de la comunidad científica está trabajando todavía en el desarrollo de la tecnología, mientras que nosotros nos enfocamos en su explotación práctica”, sostiene Álvarez.

Sus expectativas son ambiciosas. Aspiran a desarrollar las membranas en Colombia, las cuales actualmente se producen en Alemania y Japón, principalmente. No quieren esperar que otro país perfeccione la tecnología y sean ellos los que se lucren. En un laboratorio colombiano, el equipo de investigadores que trabajan con Álvarez ya desarrolló un prototipo de estas plantas y les funcionó. “Fueron dos años de investigación, y al final nos prendió un bombillo led; nos generó dos vatios”, cuenta Álvarez, quien participa en las investigaciones sobre los prototipos con tecnología nacional; la membrana es el único componente que traen del extranjero. 

El siguiente paso es ubicar un pequeño piloto, para prueba de concepto, en el río Magdalena. Para tal propósito están desarrollando una investigación patrocinada por Colciencias para el diseño de la planta. “Uno de nuestros principales logros en el desarrollo del prototipo es que lo hicimos usando materiales mucho más económicos y ambientalmente amigables. A diferencia de la planta holandesa —que usa algunos compuestos que contienen ferrocianuro y electrodos hechos de platino, que por un lado es peligroso y por otro costoso y escaso—, nosotros probamos varios electrolitos que no fueran contaminantes. Nos da menos energía, pero es mucho más sostenible”, asegura Álvarez.

Aunque invertir en el desarrollo de este tipo de energía parece todavía una apuesta riesgosa financieramente, los científicos colombianos confían en que pueden perfeccionar la técnica con materiales cien por ciento nacionales e innovadores. Su éxito llevaría a la ciencia del país a correr en la carrera de grandes ligas por el futuro energético del mundo entero, que seguramente obtendremos de fuentes distintas a los combustibles fósiles.

Energías marinas en Colombia

Contar con dos océanos es razón más que suficiente para buscar en el mar fuentes de energía renovables en Colombia. Sin embargo, la exploración y desarrollo científico nacional para generar este tipo de energías todavía no tiene avances prácticos significativos. Si bien el 70% de la energía que consume el país es de generación hidráulica, considerada de las menos contaminantes entre las tradicionales, hay sectores del territorio, por ejemplo, que no cuentan con electricidad, y la crisis energética del 2016 dejó en evidencia que el sector eléctrico nacional enfrenta riesgos latentes.

Los oceanógrafos de la Universidad Nacional y Uninorte han dado pasos importantes en el camino hacia esclarecer las posibilidades para generar energías renovables en los mares de Colombia. Hace unos siete años se preguntaron por el potencial de los mares nacionales para generar energías e indagaron cuál técnica permitiría desarrollar un proyecto que fuera sostenible durante todo el año o la mayor parte del tiempo. 

La tarea inició con el análisis de aquellas que suenan más intuitivas, como las olas, las mareas o las corrientes oceánicas. Pero también incluyeron en la exploración dos tipos que suenen un poco menos convencionales: la energía que se produce a partir de las diferencias de salinidad en el agua y la que se extrae en las diferencias de temperatura entre el fondo del mar y la superficie. Encontraron que en las no convencionales, en los gradientes, está el potencial. Estos son procesos naturales donde se generan diferencias en una propiedad física o química del agua. Algo similar ocurre cuando se forma un huracán: el aire muy caliente de abajo se une con el aire frío de arriba y desencadena en un fenómeno visible cargado de mucha energía.