Utilizan botellas plásticas reciclables para desarrollar una turbina hidrocinética, capaz de capturar energía a pequeña escala del agua de ríos y arroyos de la región.
Son investigadores del Instituto de Investigaciones en Tecnologías Energéticas y Materiales Avanzados -IITEMA UNRC-Conicet -, y están abocados al estudio, diseño y fabricación de un rotor –rueda- de turbina de pequeña escala que permita la generación de electricidad a partir de utilizar la energía de corrientes de agua.
Aplicarán la técnica de impresión 3D – se pueden fabricar piezas y estructuras complejas, con precisión, mediante el diseño asistido por computadora- para crear este rotor prototipo de turbina hidrocinética de flujo cruzado que generará, en una primera instancia, una potencia de 40 W, en cuya fabricación se emplearán filamentos hechos con botellas de plástico recicladas, los cuales incluirán además materiales biomásicos obtenidos del bambú –se lo carboniza a temperaturas de entre 300-1100ºC y se logra una fibra de carbono que se incorpora a los polímeros para reforzarlos-.
Este tipo de turbina es una tecnología emergente que permite obtener energía en forma continua -las 24 horas del día, a diferencia de la energía solar o eólica- a partir del agua que fluye en entornos naturales, como los de las sierras de Córdoba, caracterizados por tener caudales y velocidades ideales para ser aprovechados con este tipo de turbina, de manera económica, rentable, eficiente y con un muy bajo impacto ambiental.
Usan PET -en inglés de tereftalato de polietileno-, elemento con el que están hechas la mayoría de las botellas de plástico destinadas a la alimentación. Este polímero pertenece al grupo de materiales sintéticos denominados poliésteres y es un derivado del petróleo, del cual anualmente en el país se descartan unas 200 mil toneladas y sólo es reciclado un 30 por ciento.
“Estas turbinas hacen posible aprovechar energía de ríos y arroyos sin impacto ambiental, pues no necesitan la utilización de represas. Su fabricación a partir de botellas de plástico permite reciclar, reutilizar y reducir basura, con la consiguiente contribución al cuidado del medio ambiente. Pero esta no es una tecnología consolidada aún, por lo que su implementación está en plena investigación”, dijo el ingeniero mecánico Rodrigo de Prada (28), becario del Conicet, que está haciendo su tesis doctoral centrado en el desarrollo de turbinas hidrocinéticas a partir de usar materiales compuestos de fibras -biomasa, carbón- y matriz polimérica de plásticos reciclados impresos en 3D. Su eje es fabricar un rotor prototipo de turbina hidrocinética que genere una potencia estimada de 40 W.
Puntualizó: “En contraste con las turbinas hidráulicas convencionales, estas funcionan por diferencia de velocidad. Las convencionales de las grandes centrales hidroeléctricas trabajan por la diferencia de altura o porque tienen grandes caudales. En este caso, sólo se necesita diferencia de velocidad, no hace falta tener una represa, se pueden colocar directamente en ríos y arroyos con una velocidad promedio estable. Se evita todo el impacto ambiental que genera la construcción de una represa con la infraestructura que conlleva y los costos asociados”.
“Este proyecto surge a partir de considerar que los ríos de la provincia de Córdoba tienen buenas velocidades y que estas turbinas significan una aplicación sencilla y no tienen un impacto ambiental muy grande. Se podrán colocar en distintos lugares para ir recolectando energía eléctrica que se puede usar inmediatamente o almacenar en bancos de baterías para utilizarla en la medida que se necesite”, comentó el joven investigador.
Y destacó: “Este tipo de turbinas están en investigación. El factor más favorable es que los ríos hacen pasar energía las 24 horas, lo cual diferencia a esta energía de la solar y la eólica, que dependen de las condiciones climáticas, las características del viento, el momento del año. La turbina cinética lo único que necesita es que le llegue una determinada velocidad, lo cual en las sierras de Córdoba es fácilmente lograble”.
Materiales sustentables en la impresión 3D
La impresión tridimensional -3D- es una de las tecnologías de fabricación más prometedoras y de más rápido crecimiento en los últimos años. Es posible fabricar estructuras complejas en las que el tamaño y la geometría de los productos se pueden controlar con precisión, con la ayuda del diseño asistido por computadora. Por lo tanto, logra una excelente combinación entre flexibilidad del proceso y productos de alto rendimiento. Las impresoras que trabajan empleando esta tecnología se alimentan con un filamento de material termoplástico, que es fundido por una boquilla de extrusión que está unida a un sistema de posicionamiento tridimensional.
Rodrigo de Prada realizará filamentos con material polimérico conseguido a partir del reciclaje de botellas de PET; y luego hará la impresión 3D de un rotor prototipo de turbina hidrocinética empleando esos filamentos desarrollados. Evaluará las propiedades mecánicas de las piezas confeccionadas y el desempeño del rotor prototipo.
La metodología de trabajo incluye limpiar los recipientes de PET con agua y detergente, y separar el fondo y la tapa del envase. Se coloca el centro de las botellas en una máquina para cortar y separar las fibras de plástico PET. Y se introducen en un extrusor caliente que permite la obtención del filamento de PET.
Para la fabricación del rotor de la turbina hidrocinética, de Prada se basa en la experiencia de su grupo de trabajo en el desarrollo de prototipo del rotor de turbina fabricada a partir de plástico ABS – acrilonitrilo butadieno estireno-. Definirá el rotor a desarrollar para el prototipo de turbina y lo elaborará en impresora 3D, empleando parámetros de impresión que permitan obtener el mejor balance entre propiedades mecánicas, facilidad y calidad de impresión, además de las características de adhesión.
Las propiedades mecánicas de las fibras de filamento y piezas formadas serán evaluadas mediante ensayos mecánicos de tracción, compresión, flexión y sorción -proceso físico y químico mediante el cual una sustancia se adhiere a otra-.
Luego, se integrará el rotor prototipo a la turbina y generador. Y se evaluará el desempeño del conjunto en un banco de prueba, marco en el que se registrarán parámetros, tales como coeficientes de potencia, torque -fuerza que se aplica para que algo gire-, revoluciones por minuto de la turbina; velocidad y caudal del agua.
– ¿Ya han probado que los recursos biomásicos pueden aplicarse como refuerzo en materiales compuestos?
– Se viene probando. Los recursos biomásicos se están obteniendo de distintos lados. Yo lo consigo de la caña de bambú. Después de carbonizar esos recursos logramos obtener una especie de fibras de carbono, que venimos tratando de incorporar en los polímeros en procura de lograr el refuerzo. Es un tema que venimos estudiando bastante; es una cuestión de porcentajes, es decir, las cantidades de recursos biomásicos que se necesitan respecto de la parte polimérica, para ver en cuánto ayuda a aumentar o disminuir las propiedades mecánicas que va a tener el material compuesto.
– ¿Qué es un rotor de turbina?
– El rotor es la parte de la turbina que gira; aprovecha la energía hidráulica del agua para convertirla en energía eléctrica. El agua incide sobre el rotor y lo hace girar. A partir del giro que se produce, se genera un campo electromagnético y en el estator, que es una parte fija de la turbina, es donde se capta esa energía y se traduce en corriente eléctrica.
– ¿Cómo se pueden fabricar turbinas a partir de botellas de plástico?
– La fabricación de turbinas hidráulicas con plástico es algo que venimos investigando. Yo venía trabajando con plástico ABS. Los PETS son unos de los más fáciles de poder reciclar. Se les corta la tapa y el fondo de la botella, y se trabaja con el tubo central. Tenemos que diseñar y fabricar una máquina para colocar ese plástico y cortarlo en fibras –pedazos de pequeño tamaño-, a eso se lo pone en una extrusora, donde pasa por una boquilla caliente que termina generando un filamento, que luego se introduce dentro de la impresora 3D para realizar los diseños. Es bastante sencillo pasar desde la fibra del plástico a partir de ese tubo de la botella a filamento. La boquilla caliente le da la forma de filamento. Por otro lado, se prevé moler la parte correspondiente a la tapa y al fondo de la botella. A esa molienda se la coloca en una extrusora de plástico y se fabrica también filamento. Son métodos distintos para aprovechar la totalidad de la botella.
– ¿Necesitan una moledora de botellas plásticas?
– Nosotros dentro del grupo no tenemos la máquina para obtener fibras del PET ni la moledora de plástico. Estamos buscando financiamiento para construirlas, lo cual estimamos que podrá ser para la segunda mitad del año. Ahora adquirimos las fibras.
– ¿Han hecho turbinas a partir del plástico de botellas recicladas?
– Todavía no. Yo vengo haciendo turbinas con ABS reciclado.
– ¿Cuál es el objetivo del trabajo?
– Mi proyecto de beca doctoral se centra en lograr la turbina hidrocinética, fabricándola con impresión 3D, utilizando plástico reciclado y reforzándolo con fibras de material biomásico. Lo primero es el diseño de las turbinas con materiales convencionales y con plástico reciclado. Ahora estamos en la fabricación del filamento, lo cual es fundamental porque de las propiedades mecánicas que tiene el filamento dependen las terminaciones que va a dar la impresora 3D a la hora de fabricar la turbina. Una vez que se logre que el filamento tenga las propiedades mecánicas adecuadas se van a imprimir los distintos diseños de turbina para ver cuál se ajusta mejor. Estamos construyendo un banco de prueba para este tipo de turbinas. Iremos diseñando y modificando distintos parámetros en cada una de las turbinas que vamos a ir imprimiendo, ajustando hasta conseguir el mejor desempeño. En esta primera instancia buscamos lograr un prototipo chico, sobre todo, porque en el banco de pruebas no podemos ensayar algo más grande. Trabajamos en un prototipo de 40W, que es interesante, porque la energía cinética se genera de manera continua las 24 horas.
– ¿Será un dispositivo transferible?
– Sí, creemos que esto va a ser transferible. Es una alternativa de generación de energía eléctrica. La fabricación mediante impresora 3D es de bajo costo. Incorporar plásticos reciclables, con el agregado de refuerzos a partir de materiales biomásicos, lo hace aún más económico. Es algo que se va a poder utilizar, que va a ser fácil de fabricar.
Inyectar la energía a una microrred autónoma
Esta iniciativa científica y de desarrollo tecnológico puesta en marcha en la Universidad Nacional de Río Cuarto propone desarrollar materiales compuestos como filamentos para impresión 3D, a partir de recursos biomásicos y plásticos reciclados, a la vez que evaluar el desempeño de una turbina hidrocinética con el rotor generado por impresión 3D; e implementar estrategias a través del control y la electrónica para maximizar la extracción de potencia de la turbina y, al mismo tiempo, poder inyectar la energía a una microrred autónoma.
En este trabajo se apunta a realizar un rotor prototipo a escala, de 40 W, y posteriormente desarrollar una turbina de 500 W.
A partir de la creciente preocupación sobre las consecuencias ambientales y socioeconómicas indeseables de los productos petroquímicos y los recursos fósiles limitados, existe un gran interés en el desarrollo de vías alternativas de obtención de energía y en utilizar biomasa, sus derivados y productos reciclados como recursos sustentables para el desarrollo de productos químicos, polímeros y materiales.
