Nano-red de agua y energía que ofrece una solución para las comunidades rurales que carecen de servicios básicos

Unos investigadores de la Universidad de Texas A&M han encontrado una solución económica y ecológica que puede ayudar a las comunidades desfavorecidas en relación a sus necesidades de agua y electricidad.

Su nano-red autónoma de energía hídrica consiste en un sistema de purificación que utiliza la energía solar para descontaminar el agua. La configuración, dijeron, está matemáticamente ajustada para utilizar la energía solar de manera óptima, de modo que la filtración del agua no se vea obstaculizada por las fluctuaciones de la energía solar en el transcurso del día.

"Para dar servicio a zonas remotas y aisladas, el coste de la infraestructura para colocar nuevas tuberías de agua o establecer una red eléctrica es enorme y puede llevar mucho tiempo", dijo Le Xie, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática. "Para superar estos obstáculos, presentamos una solución rentable que utiliza energía solar tanto para purificar el agua como para generar electricidad para uso doméstico básico".

Los investigadores han descrito su tecnología en la revista Applied Energy.

En los Estados Unidos, las colonias representan una de las muchas comunidades rurales de bajos ingresos situadas a lo largo de la frontera entre Texas y México, donde los recursos básicos no están disponibles de manera fácil. Como las colonias son remotas, sus residentes, que consisten principalmente en trabajadores emigrantes, están aislados de las principales instalaciones de servicios públicos y de tratamiento de agua y, por lo tanto, tienen medios limitados de electricidad y agua potable. Métodos como el de hervir el agua pueden ser prohibitivos en cuanto a su costo, e inadecuados.

"Hervir el agua es una de las formas más caras de descontaminación porque se necesita mucha energía para calentar el agua", dijo Shankar Chellam, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Zachry. "Además, aunque hervirla elimina los contaminantes biológicos, no elimina muchos contaminantes químicos. Necesitábamos una solución que pudiera abordar ambos problemas al mismo tiempo".

Una forma eficiente de descontaminar el agua es pasándola por sistemas de purificación. Estas máquinas utilizan bombas para empujar el agua a través de un filtro. Sin embargo, las bombas requieren electricidad, que de nuevo es escasa en las colonias. Así que los investigadores buscaron una solución que ayudara tanto a las necesidades de energía como de agua de los residentes de las colonias.

En primer lugar, para reducir la dependencia de las fuentes centralizadas de energía y agua, Xie, Chellam y su equipo conceptualizaron una nano-red de energía-agua, que es un sistema de filtración autónomo, montado en un camión, con bombas que podrían funcionar con electricidad generada por el Sol. Luego, desarrollaron un esquema matemático de minimización de costos, llamado marco de optimización basado en escenarios, que minimizaba el gasto total de la configuración autónoma seleccionando el tipo de filtro, el número y dimensiones de los paneles solares y el tamaño de la batería solar.

La nano-red de agua-energía. La electricidad generada en los paneles solares durante el pico de disponibilidad se utiliza para hacer funcionar un sistema de nanofiltración de agua. Cualquier exceso de energía es entregado a las baterías o está disponible para uso doméstico básico. (Foto: Dr. Le Xie y Dr. Shankar Chellam/Texas A&M University College of Engineering)

Este modelo reveló que si se utilizaba nanofiltración, un tipo de técnica de purificación, la recolección de energía solar solo durante el pico de disponibilidad era suficiente para hacer funcionar las bombas y purificar el agua. En otras palabras, el sistema de nanofiltración de agua no se veía afectado en gran medida por los caprichos diarios de la energía solar y podía purificar suficiente agua para satisfacer las necesidades semanales de agua de la comunidad. De esta manera, cualquier exceso de energía solar que no se utilizara para la filtración podía ser guardado para su almacenamiento en la batería o para otras necesidades domésticas básicas menores, como la carga de las baterías de los teléfonos celulares.

Los investigadores observaron que, aunque el sistema de nanofiltración es más sofisticado y costoso que otros métodos de filtración, su mérito general es que puede desalinizar y eliminar con éxito sustancias químicas, como el arsénico, presentes en las aguas subterráneas locales. Dijeron que la nanofiltración es un método preferible para la desalinización y la purificación del agua para otras regiones remotas en las que no se conozcan ya los contaminantes del agua.

"Hemos utilizado por primera vez un enfoque matemático muy riguroso para interrelacionar la purificación del agua y el suministro de energía", dijo Chellam. "Esto establece un marco cuantitativo que puede ser usado no solo en las colonias sino en cualquier escenario basado en condiciones locales". (Fuente: NCYT Amazings)