Energía fotovoltaica para desinfectar aguas residuales

Investigadores de la Universidad de Jaén han desarrollado una novedosa tecnología para la desinfección de aguas residuales y la producción de energía fotovoltaica.

El sistema Open SoWat está diseñado para el tratamiento terciario, el tercer y último proceso en las estaciones depuradoras de aguas residuales (WWTP, por sus siglas en inglés). Es una mejora de la tecnología SolWat, que consiste en una tecnología fotoquímica que integra módulos fotovoltaicos y reactores de desinfección del agua.

“Para extender el sistema al uso comercial, es necesario realizar estudios experimentales preliminares utilizando un prototipo a gran escala. La optimización de esta tecnología implicará el uso de bombas de agua energéticamente eficientes. Además, se realizará un estudio de su consumo energético y un análisis económico del sistema”, declaró el investigador J. Torres a pv magazine.

Según el grupo de investigación, la tecnología aprovecha varias longitudes de onda de la radiación solar para distintos fines. Utiliza la radiación ultravioleta (UV) e infrarroja lejana (FIR) para desinfectar el agua, reduciendo significativamente la presencia de microorganismos nocivos. Además, la radiación visible (VIS) e infrarroja cercana (NIR) se utiliza para generar electricidad a través del módulo fotovoltaico.

El sistema Open SolWat funciona de forma dinámica con recirculación de agua para reducir la temperatura de funcionamiento del módulo solar. Consiste en un módulo fotovoltaico sobre el que fluye una fina película de agua de 1 mm gracias a un sistema de bombeo. El agua se esparce por la cara frontal del panel y luego se recoge en un depósito de agua externo hecho de perfiles en L de aluminio, con un embudo que transfiere el agua al depósito.

“El tanque está expuesto a la radiación solar y funciona como un reactor solar de desinfección del agua”, explican los científicos, que señalan que en la configuración cerrada clásica de SolWat, se aplica una fina película de 18 mm de agua residual al módulo fotovoltaico, cerrada con vidrio de borosilicato.

Para probar la viabilidad del sistema, los científicos han construido dos prototipos: el sistema SolWat abierto pequeño y el sistema SolWat abierto grande.

“El primer reactor consistía únicamente en un perfil de aluminio en forma de L en la parte superior del módulo fotovoltaico, que estaba equipado con un tubo perforado con 53 microtubos para la salida del agua, separados 1 cm entre sí”, explicaron. “El segundo reactor era un depósito de agua abierto y translúcido de 62 cm x 45 cm x 18 cm”.

El prototipo más grande utiliza un módulo de 45 W del fabricante británico PV Logic, dos reactores de agua y una bomba de agua de acoplamiento magnético con un caudal medio de 8,9 L/m fabricada por la empresa alemana Flojet Corporation. El sistema más pequeño utiliza un módulo con una potencia nominal de 5 W.

Tras construir los prototipos, los investigadores los colocaron en un tejado del municipio español de Linares y realizaron una serie de experimentos. Entre ellos figuraban análisis fisicoquímicos y microbiológicos, así como de rendimiento eléctrico.

“La WWTP de Linares proporcionó las muestras experimentales, que se obtuvieron directamente tras el tratamiento secundario, lo que significa que no se trata de agua preparada en laboratorio, sino de agua natural con materia orgánica”, explican los científicos. “Las muestras representativas se recogieron siempre entre las 9:00 y las 10:00 horas del día de cada experimento. Los experimentos se iniciaron alrededor de las 11:00-12:00 p.m. hora local, 2-3 horas antes del mediodía solar”.

El montaje más grande tenía una exposición a la radiación de entre el 95% y el 97%, mientras que el más pequeño sólo tenía una exposición del 2,8% porque carecía de un depósito de agua externo totalmente expuesto. Los resultados de calidad del agua del prototipo más grande cumplían la normativa española y europea, por lo que era apto para usos urbanos, agrícolas, industriales y medioambientales.

La configuración más pequeña mostró pérdidas de energía de hasta el 2,89% en comparación con un sistema de referencia sin refrigeración, debido al sombreado parcial del propio sistema. Sin embargo, en el caso de la instalación más grande, el sistema mejoró la generación de electricidad entre un 15% y un 21%. No obstante, los investigadores concluyeron que no afectaba significativamente a la producción final de energía de los reactores SolWat clásicos.

“La energía generada podría utilizarse para alimentar el sistema de bombeo SolWat y satisfacer otras necesidades energéticas en una planta de tratamiento de aguas residuales”, concluyeron los investigadores. “Para conseguirlo en futuras investigaciones se pretende escalar el sistema a un prototipo mayor y optimizar esta tecnología utilizando bombas de bajo consumo de agua, así como realizar un estudio de su consumo energético”.

Los investigadores presentaron el sistema en “SolWat technology for simultaneous wastewater disinfection and higher energy generation utilizing PV module front surface” (Tecnología SolWat para la desinfección simultánea de aguas residuales y una mayor generación de energía utilizando la superficie frontal del módulo fotovoltaico), publicado recientemente en la revista Journal of Water Process Engineering.

“La presente investigación puso de relieve el sistema SolWat de gran apertura con los resultados más óptimos de la tecnología SolWat hasta la fecha, tanto para la desinfección solar del agua como para la producción simultánea de energía”, afirmó Torres.