Sistema generador de energía y método para el mismo.

Sistema (2,32) generador de energía para generar energía a partir de gradientes de concentración en un fluido(22,

36), que comprende:

- un primer elemento (8,42) capacitivo con un colector (16,44) de corriente,

- un segundo elemento (8,38) capacitivo con un colector (18,40) de corriente, y

en donde el fluido comprende alternamente un concentrado y un diluido para cargar y descargar respectivamente loselementos capacitivos,

caracterizado por:

- un material (14) de intercambio catiónico colocado entre el primer elemento capacitivo y el fluido;

- un material (12) de intercambio aniónico colocado entre el segundo elemento capacitivo y el fluido, en donde losmateriales de intercambio catiónico y aniónico están en contacto con el fluido,

en donde los elementos capacitivos están conectados por el colector de corriente en un circuito (28,50) eléctrico,generando de este modo energía eléctrica.

Sistema generador de energía y método para el mismo.

La presente invención se refiere a un sistema generador de energía que usa diferencias de concentración, p.ej. la diferencia de concentración entre agua de mar (aproximadamente 30 g/l de sal) y agua de río (aproximadamente 1 g/l de sal) . Corrientes similares con diferencias de concentración están presentes, por ejemplo, en corrientes industriales de agua salada, como en plantas de tratamiento de aguas residuales.

Los documentos EP 1 348 670 y WO 01/89671 describen un procedimiento de desionización capacitivo.

El documento NL 1031148 describe la generación de energía en un procedimiento de Diálisis Electródica Inversa (RED, por sus siglas en inglés) . El procedimiento RED usa un ánodo y un cátodo como electrodos, que están separados por membranas de intercambio catiónico y membranas de intercambio aniónico colocadas alternamente. Una pila de membranas RED es una pila electrodialítica entre un ánodo y un cátodo. Las membranas son mantenidas separadas con espaciadores que permiten el flujo de un diluido (p.ej. agua de río) y un concentrado (p.ej. agua de mar) . En los electrodos pueden tener lugar las siguientes reacciones electro-químicas:

Ánodo: 2H2O -O2 (g) + 4H+ + 2e-E0 = +1, 23V

2Cl--Cl2 + 2e -E0 = +1, 36 V

Cátodo: 2H2O + 2e--H2 (g) + 2OH -E0 = -0, 83 V

Siendo E0 los potenciales estándar a 24, 9 ºC (298 K) y 100 kPa (1 bar) . Estos potenciales estándar definen las pérdidas energéticas, debidas a las reacciones electroquímicas que tienen lugar. También, los gases formados en los electrodos necesitan ser retirados. Otro problema, debido a un pH relativamente alto en o sobre el cátodo, es la formación de incrustaciones en el electrodo, de, por ejemplo, carbonato de calcio. El uso de otras reacciones de electrodo, como Fe (II) /Fe (III) , es posible, sin embargo, este uso está limitado en relación al medio ambiente, la toxicidad y el coste. Además, para permitir la generación de energía en el procedimiento RED se requiere una pila de membranas. Las membranas en esta pila son separadas usando espaciadores que mantienen una distancia entre membranas adyacentes de 0, 2 mm, o incluso menos, para minimizar la resistencia interna. El uso de estos espaciadores puede dar como resultado pérdidas de eficacia en el procedimiento generador de energía debido a la restricción en el flujo, el efecto aislante del espaciador que aumenta la resistencia interna (0) y la sensibilidad de los espaciadores para el atascamiento y la acumulación de biomasa, que en la práctica requiere a menudo el pretratamiento de los fluidos.

Además, en una pila electrodialítica se puede producir un cortocircuito a través de los distribuidores que actúan como aberturas de suministro y salida del fluido entre las membranas. Además de las pérdidas por cortocircuito, se puede producir una fuga mecánica de fluidos desde la pila hacia el exterior. Otro problema es la fuga entre los fluidos internos que se puede producir. Estos problemas pueden dar como resultado una pérdida de eficacia. Otro problema con la pila electrodialítica es el intensivo montaje requerido para la pila. Tal pila consiste en cientos de celdas, que comprenden una membrana de intercambio catiónico, un sello, un espaciador para el diluido, una membrana de intercambio aniónico y un sello y espaciador para el concentrado.

El objetivo de la presente invención es mejorar la generación de energía a partir de gradientes de concentración, eliminando o minimizando al menos algunos de los problemas mencionados anteriormente.

Por lo tanto, el sistema generador de energía acorde con la presente invención comprende los rasgos de la reivindicación 1.

Tanto el material de intercambio catiónico como el material de intercambio aniónico se colocan entre los elementos capacitivos y el fluido. El fluido es un concentrado o bien un diluido, a los que los materiales de intercambio iónico son alternamente expuestos. Un concentrado apropiado es agua de mar, y un diluido apropiado es agua de río. Llevando alternamente los materiales de intercambio iónico al contacto con el concentrado y el diluido, los elementos capacitivos se cargan (adsorción) y descargan (desorción) usando gradientes salinos.

El material de intercambio iónico en contacto con una disolución salina concentrada realiza un gradiente de concentración, y por lo tanto una diferencia de potencial químico, entre la disolución salina y los elementos capacitivos. El primer elemento capacitivo se carga con cationes. El segundo elemento capacitivo se carga con aniones. La adsorción (fisisorción) tiene lugar cuando las moléculas en el fluido llegan a unirse a la superficie del sólido (adsorbente) . Las moléculas adsorbidas llegan a ser sujetadas físicamente a las partes sólidas de los elementos capacitivos. Por lo tanto, los elementos capacitivos son preferiblemente porosos, y conductores. Para permitir el transporte de iones a través del material de intercambio iónico hacia las partes sólidas, se proporciona un fluido, preferiblemente agua. Alternando la provisión de un fluido como concentrado y como diluido, resultará un flujo (capacitivo) de carga.

La carga de los electrodos es realizada por iones mediante la provisión alternada de un concentrado y un diluido. El

material de intercambio iónico permite la adsorción de los aniones sobre el ánodo, y la adsorción de los cationes sobre el cátodo. Con ello se puede conseguir un sistema generador de energía eficaz.

Después de ser expuestos al concentrado, los materiales de intercambio iónico son llevados al contacto con el diluido. Esto da como resultado un gradiente de concentración, y realiza una diferencia de potencial químico entre los elementos capacitivos cargados y el diluido. Por lo tanto, los elementos capacitivos serán descargados (desorción) .

Exponer los materiales de intercambio iónico y los elementos capacitivos alternamente a un concentrado y un diluido puede ser realizado mediante un sistema de control que cambia el fluido en el sistema de un concentrado a un diluido y viceversa. En una realización alternativa, los materiales de intercambio iónico y los elementos capacitivos son transferidos por medios de transferencia de un concentrado a un diluido y viceversa.

Durante el proceso de carga y/o descarga se puede generar energía eléctrica a partir del sistema conectando los colectores de corriente de los elementos capacitivos a un circuito eléctrico. El colector de corriente puede ser un electrodo o colector.

En una realización preferida, el elemento capacitivo comprende carbón activo. El carbón activo es carbón tratado que une moléculas e iones a su superficie mediante el proceso de adsorción descrito anteriormente. El carbón activo tiene una superficie interna de aproximadamente 500-1500 m2/g. El carbón activado es un carbón microporoso e inerte, capaz de adsorber especialmente moléculas orgánicas o iones desde fluidos.

En una realización preferida acorde con la presente invención, el primer y/o segundo elementos capacitivos comprenden una disolución salina.

Proporcionando al primer y segundo elementos capacitivos una disolución salina de p.ej. 30 g/l, se puede generar energía tanto durante la carga como la descarga del elemento capacitivo. Durante el intervalo en que los materiales de intercambio iónico están en contacto con el fluido que comprende una disolución salina concentrada, los cationes de esta disolución salina concentrada se difundirán a través del material de intercambio catiónico. Al mismo tiempo, los aniones de la disolución salina concentrada se difundirán a través del material de intercambio aniónico. La electroneutralidad en los elementos capacitivos está siendo mantenida por la adsorción de los iones. No se producirán reacciones electroquímicas sustanciales en los elementos capacitivos, ya que el impulso de potencial generado para estas reacciones es insuficiente. Como los elementos capacitivos están conectados por el colector de corriente en un circuito eléctrico, se puede generar energía durante la fase de carga del proceso. Durante el contacto de los materiales de intercambio iónico con agua de río (u otro diluido) los elementos capacitivos están siendo descargados. Durante este periodo de descarga se puede generar energía a partir de los elementos capacitivos, siendo los electrones transferidos en la dirección opuesta entre los elementos capacitivos, en comparación con la fase de carga. Así, usando la disolución salina se puede generar energía tanto durante la fase de carga como de descarga. Será posible usar un elemento capacitivo conformado como un cable, mientras que otro elemento capacitivo está conformado... [Seguir leyendo]

1. Sistema (2, 32) generador de energía para generar energía a partir de gradientes de concentración en un fluido (22, 36) , que comprende:

-un primer elemento (8, 42) capacitivo con un colector (16, 44) de corriente,

-un segundo elemento (8, 38) capacitivo con un colector (18, 40) de corriente, y

en donde el fluido comprende alternamente un concentrado y un diluido para cargar y descargar respectivamente los elementos capacitivos, caracterizado por:

-un material (14) de intercambio catiónico colocado entre el primer elemento capacitivo y el fluido;

-un material (12) de intercambio aniónico colocado entre el segundo elemento capacitivo y el fluido, en donde los materiales de intercambio catiónico y aniónico están en contacto con el fluido,

en donde los elementos capacitivos están conectados por el colector de corriente en un circuito (28, 50) eléctrico, generando de este modo energía eléctrica.

2. Sistema generador de energía según la reivindicación 1, en donde se genera energía al menos durante la descarga de los elementos capacitivos.

3. Sistema generador de energía según la reivindicación 1 o 2, en donde se genera energía al menos durante la carga de los elementos capacitivos.

4. Sistema generador de energía según la reivindicación 1, 2 o 3, que comprende además medios de control para cambiar el fluido del concentrado al diluido y viceversa.

5. Sistema generador de energía según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, que comprende además medios de transferencia para transferir los elementos capacitivos del concentrado al diluido y viceversa.

6. Sistema generador de energía según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde al menos uno de los elementos capacitivos comprende carbón activo.

7. Sistema generador de energía según cualquiera de las reivindicaciones 1-6, en donde el primer y/o segundo elementos capacitivos comprenden una disolución (10) salina.

8. Sistema generador de energía según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde está provista una fuente de energía adicional para cargar al menos parcialmente los elementos capacitivos.

9. Sistema generador de energía según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en donde el primer y/o segundo elementos capacitivos están conformados sustancialmente como cables (38, 42) conectados a un colector (40, 44) de corriente.

10. Sistema generador de energía según la reivindicación 9, en donde los cables del primer y segundo elementos capacitivos están comprimidos entre sí.

11. Sistema generador de energía según la reivindicación 9 o 10, en donde los cables están conectados en una conexión en serie.

12. Método para generar energía a partir de gradientes salinos en un fluido (22, 36) , que comprende las etapas de:

-proporcionar un primer elemento capacitivo (8, 42) con un colector de corriente (16, 44) , y un material (14) de intercambio catiónico colocado entre el elemento y el fluido;

-proporcionar un segundo elemento capacitivo (8, 38) con un colector (18, 40) de corriente, y un material (12) de intercambio aniónico colocado entre el elemento y el fluido;

- conectar los elementos capacitivos mediante el colector de corriente en un circuito (28, 50) eléctrico; y

- exponer alternamente los elementos capacitivos a un concentrado y un diluido, cargando y descargando respectivamente de este modo el primer y segundo elementos capacitivos, para generar energía eléctrica.

13. Método según la reivindicación 12, en donde se genera energía durante la carga y descarga de los elementos capacitivos.

14. Método según la reivindicación 12 o 13, en donde el primer y/o segundo elementos capacitivos están

conformados sustancialmente como cables (38, 42) que están conectados a un primer y segundo colector (40, 44) de corriente respectivamente.