Analysis and simulation of a blue energy cycle

Sharma, Ketki; Kim, Yong-ha; Yiacoumi, Sotira; Gabitto, Jorge; Bilheux, Hassina Z.; Santodonato, Louis J.; Mayes, Richard T.; Dai, Sheng; Tsouris, Costas

doi:10.1016/j.renene.2016.01.044

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“…While in situ x-ray and neutron experiments now provide information at various scales on the localization of ions inside the electrodes [20,21], quantitative predictions of the ionic concentrations, or equivalently the capacitance and salt adsorption, essentially rely on models of the electric double layer (EDL). The most commonly used models in these contexts are Debye-Hückel (DH) and Poisson-Boltzmann (PB)-possibly including excluded volume effects-theories [22][23][24][25][26][27][28][29], as well as modified Donnan (mD) models [30].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Blue Energy and Desalination with Nanoporous Carbon Electrodes: Capacitance from Molecular Simulations to Continuous Models

et al. 2018

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Capacitive mixing (CapMix) and capacitive deionization (CDI) are currently developed as alternatives to membrane-based processes to harvest blue energy-from salinity gradients between river and sea waterand to desalinate water-using charge-discharge cycles of capacitors. Nanoporous electrodes increase the contact area with the electrolyte and hence, in principle, also the performance of the process. However, models to design and optimize devices should be used with caution when the size of the pores becomes comparable to that of ions and water molecules. Here, we address this issue by simulating realistic capacitors based on aqueous electrolytes and nanoporous carbide-derived carbon (CDC) electrodes, accounting for both their complex structure and their polarization by the electrolyte under applied voltage. We compute the capacitance for two salt concentrations and validate our simulations by comparison with cyclic voltammetry experiments. We discuss the predictions of Debye-Hückel and Poisson-Boltzmann theories, as well as modified Donnan models, and we show that the latter can be parametrized using the molecular simulation results at high concentration. This then allows us to extrapolate the capacitance and salt adsorption capacity at lower concentrations, which cannot be simulated, finding a reasonable agreement with the experimental capacitance. We analyze the solvation of ions and their confinement within the electrodes-microscopic properties that are much more difficult to obtain experimentally than the electrochemical response but very important to understand the mechanisms at play. We finally discuss the implications of our findings for CapMix and CDI, both from the modeling point of view and from the use of CDCs in these contexts.

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Section: Introductionmentioning

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Blue Energy and Desalination with Nanoporous Carbon Electrodes: Capacitance from Molecular Simulations to Continuous Models

et al. 2018

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“…En el presente artículo se aborda el tema de generación de energía eléctrica, a través del proceso de Ósmosis por Presión Retardada o por sus siglas en inglés conocido como PRO, el cual aprovecha para este fin, los gradientes de salinidad que se presentan entre los océanos o los mares, y las fuentes corrientes de agua dulce (ríos), en las zonas conocidas como estuarios [6,7], por ejemplo, la mezcla de una solución salina de concentración alta con agua fresca, produce una solución salobre, la cual disipa más de 2,2 MJ energía libre por m3 de agua dulce tratada o lo que es equivalente a la energía potencial liberada por la caída del mismo volumen de agua corriente a una altura de 220 m [7]. Este tipo de generación, es considerada como renovable, no tiene emisiones de CO2 asociadas al proceso de generación u otra emisión que pueda contribuir de forma negativa con el cambio climático [2], el proceso entero posee una huella de carbono mínima (Kg CO2 equiv./KWh generado) [8,9] y es una gran alternativa para aprovechar la ventaja competitiva natural que posee Colombia, ya que el país cuenta con dos océanos, gran cantidad de ríos que desembocan en estos, sobretodo en la región pacífica, y permitiría diversificar la matriz energética nacional con una fuente de energía renovable.…”

Section: Figura 1 Potencia Teórica De Los Principales Ríos Del Mundounclassified

Energía Azul: generación de potencia a través de la Ósmosis por Presión Retardada (PRO)

Alzate

2018

Ing.USBMed

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IntroducciónLa emisión de gases efecto invernadero, tales como el CO2, causadas por el uso de combustibles fósiles y el crecimiento exponencial de la población mundial, son algunas de las razones por las cuales la humanidad ha volcado sus esfuerzos hacia la búsqueda de fuentes de energía limpia y sostenible, que satisfagan las necesidades energéticas actuales y las futuras [1][2][3].En la actualidad se volvió una prioridad investigar y desarrollar tecnologías que aprovechen las energías renovables, tales como: la energía eólica, energía solar y biocombustibles [1,2,4]. Sin embargo, no todas las regiones o zonas son aptas para ciertas energías renovables, ya que no cuentan con las condiciones edafoclimáticas, de radiación solar, de velocidad de vientos, etc., que aprovechen y satisfagan las condiciones mínimas de operación de las tecnologías empleadas en biocombustibles, energía solar y eólica, respectivamente [2,5]. Es por esta razón que recientemente, se ha estudiado las fuentes de energía renovable y verde que podrían aprovecharse de los océanos, como por ejemplo las corrientes marinas, las mareas, los gradientes térmicos y de salinidad [2], con el fin de ampliar más este portafolio. En la Figura 1 se muestra la potencia teórica de los principales ríos del mundo durante el proceso de mezcla cuando estos ríos van al mar.Resumen. La emisión de gases efecto invernadero, causadas por el uso de combustibles fósiles y el crecimiento exponencial de la humanidad, vuelca los esfuerzos hacia la búsqueda de fuentes de energía limpia y sostenible, que satisfagan las necesidades energéticas actuales y futuras. Por lo que es imperativo, investigar y desarrollar tecnologías que aprovechen las energías renovables, una de ellas es la Ósmosis por Presión Retardada (PRO), proceso que aprovecha el gradiente de salinidad entre dos soluciones para generar electricidad, ya que la mezcla de una solución salina de concentración alta con agua fresca disipa más de 2,2 MJ/m3 de agua dulce tratada. A escala industrial, se podría aprovechar la diferencia de salinidad entre ríos y mares, cerca de los estuarios. La aplicación, viabilidad y eficiencia del proceso y la tecnología PRO, dependen de las características de la membrana semipermeable, como la potencia por unidad de área, y las propiedades fisicoquímicas y de superficie de esta. En la actualidad, se utilizan membranas de acetato de celulosa, las cuales dan potencias (1W/m2). Sin embargo, se está investigando con membranas de materiales compuestos, como, por ejemplo, las basadas en grafeno, las cuales permiten un mayor flujo de agua y potencias superiores a 5 W/m2. Abstract

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“…Design requirements for restrained chemical engines was provided by Miller et al [13] using a fuel cell with a motor attachment as an example. Further information on current technologies for power generation using salinity gradients may be taken from Jia et al [14] and Sharma et al [15]. Recently, analogous to the Carnot heat engine, a reversible mass engine cycle was proposed by Sharqawy [16].…”

Section: Introductionmentioning

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