Generadores de Agua Flotantes Transforman la Lluvia en Energía Renovable

La demanda de energía está aumentando rápidamente. En 2024, este mundo registró un aumento del 4,3% en la demanda de electricidad. Esto fue un aumento mucho mayor que el pico del 2,5% registrado en el año anterior, que estuvo cerca del ritmo promedio de crecimiento de la demanda eléctrica entre 2010 y 2023.

Este crecimiento es impulsado principalmente por el enorme aumento de los centros de datos debido a la explosión de la adopción de IA y vehículos eléctricos, con la expansión industrial y el mayor uso del aire acondicionado también contribuyendo significativamente.

Mientras que los combustibles fósiles representaron más de la mitad (casi el 60%) de la generación eléctrica el año pasado, con el carbón permaneciendo como la mayor fuente en el mundo, la combinación energética está realmente evolucionando. Según la IEA, por primera vez en la historia, la generación de energía a partir de renovables y energía nuclear representó dos quintas partes de la generación global total en 2024. 

Las energías renovables, en particular, fueron responsables de un tercio de la producción eléctrica mundial. Entre las fuentes renovables, la energía hidroeléctrica lidera con una participación del 14% de la generación total de electricidad, seguida por la eólica con un 8%, la solar fotovoltaica con un 7% y la bioenergía y los residuos con solo un 3%.

Aunque es un desarrollo importante hacia la energía limpia, la contribución de las renovables a la producción energética global sigue siendo baja. Por lo tanto, para ayudar a acelerar esta transición a fuentes de energía renovable, los investigadores han estado creando nuevas tecnologías de conversión de energía para satisfacer la creciente demanda de consumo eléctrico diario . 

Los sistemas que recogen energía directamente del entorno, en particular, pueden ayudar a aumentar el uso de fuentes de energía renovable.

Hidrovoltaica: Transformando la Lluvia y los Ciclos del Agua en Electricidad

El agua es un elemento crítico de la vida. No solo constituye una gran parte de nuestro cuerpo, sino que también constituye una gran parte de la Tierra. Cubriendo el 70% de nuestro planeta, el agua es el recurso más abundante, y contiene una cantidad significativa de energía en diversas formas, gran parte de la cual sigue estando en gran medida subutilizada.

Una de las formas en que se utiliza esta energía es a través de la energía hidroeléctrica, que implica usar el flujo natural del agua en movimiento para generar electricidad.

Otra forma poderosa de cosechar energía del ciclo natural del agua es mediante la tecnología hidrovoltaica. A diferencia de las tecnologías tradicionales, que cosechan la energía cinética del agua, la tecnología hidrovoltaica genera electricidad a partir de la interacción directa de un material electrodos con el agua. 

La tecnología hidrovoltaica permite realmente el desarrollo de sistemas de bajo costo y alta eficiencia que pueden convertir directamente la energía térmica en energía eléctrica mediante la interacción del agua con nanomateriales como el grafeno, los nanotubos de carbono, nanopartículas de carbono y polímeros conductores.

La energía que se convierte aquí es generada por el goteo, flujo, fluctuación, condensación o evaporación, y aumenta considerablemente la potencia de salida. La investigación afirma¹ que usar solo el 1% de la energía disponible en el agua del mundo con una mera eficiencia del 1% mediante la tecnología hidrovoltaica puede ayudarnos a cubrir 1/3 de las necesidades energéticas del planeta.

Como tal, los dispositivos basados en esta tecnología en desarrollo son cruciales para satisfacer la demanda de un mundo hambriento de energía utilizando fuentes de energía renovable.

Esto ha llevado a una extensa investigación en generadores de energía por gotas, un tipo de tecnología hidrovoltaica que convierte la energía mecánica de las gotas de agua, como las gotas de lluvia, en electricidad. Pero las limitaciones de la tecnología actual no han permitido convertir eficientemente la energía contenida en el agua en energía eléctrica.

Por ejemplo, un generador tradicional de energía por gotas basado en el efecto triboeléctrico, que genera una carga eléctrica cuando dos materiales diferentes entran en contacto y luego se separan, puede producir electricidad cuando una gota impacta una superficie. Sin embargo, el efecto interfacial limita la cantidad de cargas generadas en la superficie, lo que resulta en una eficiencia de conversión de energía relativamente baja.

Así, un equipo de investigadores ha desarrollado un novedoso “generador de electricidad por gotas integrado con agua” que produce alta salida mientras flota sobre superficies, ofreciendo una visión de la próxima generación de dispositivos ligeros y de alta eficiencia.

“Prevemos que este trabajo abrirá una nueva vía para aprovechar materiales naturales similares al agua para construir dispositivos hidrovoltaicos y avanzar en aplicaciones a gran escala sin tierra.”

Pero antes de sumergirnos en esta investigación, veamos primero qué ha estado sucediendo en este campo.

Estado del Arte en Generadores de Electricidad por Gotas (DEG)

Las gotas de agua en movimiento, como las gotas de lluvia, están muy extendidas y transportan una considerable cantidad de energía cinética, lo que muestra potencial para la generación sostenible de electricidad. Para cosechar la energía cinética de las gotas de agua, los investigadores han centrado sus esfuerzos en los DEG.

El generador de electricidad basado en gotas (DEG) es una tecnología poderosa y ha demostrado ser una forma eficiente de cosechar energía del entorno natural. 

Utiliza gotas de agua que caen para generar electricidad. Normalmente, consta de dos capas triboeléctricas y un par de electrodos, donde las cargas se separan cuando una gota de agua impacta la superficie y luego se desliza. 

El bajo costo, la estructura simple y la alta densidad de potencia de los DEG los han hecho populares entre los investigadores para cosechar energía cinética de fuentes de agua ambientales. 

Sin embargo, su aplicación amplia está obstaculizada por la compleja estructura y la baja densidad de potencia de salida. Su aplicación limitada al uso en tierra también los hace poco prácticos para lagos, ríos y océanos.

Otros desafíos con los DEG incluyen una degradación significativa del rendimiento con el tiempo en sistemas integrados, problemas de durabilidad del material y la gran huella espacial requerida para aplicaciones a gran escala.

Desliza para desplazarte →

Así, la investigación continúa con un enfoque en mejorar la eficiencia mediante mejores diseños, usando agua natural como parte de la estructura, o optimizando materiales, con innovaciones recientes creando dispositivos ligeros, rentables e incluso flotantes. 

Hace unos años, un equipo de investigadores de la City University of Hong Kong (CityU) desarrolló² un DEG con una estructura similar a un transistor de efecto de campo (FET) que logró una alta eficiencia de conversión de energía. Su densidad de potencia instantánea fue mucho mayor, alrededor de miles de veces mayor, que la de sus contrapartes sin una estructura tipo FET.

Su trabajo tuvo dos factores clave; uno fue el hallazgo del equipo de que cuando gotas de agua continuas impactan la superficie del politetrafluoroetileno (PTFE), un material dieléctrico con una carga eléctrica cuasi permanente, las cargas superficiales producidas se acumulan y gradualmente alcanzan la saturación. Esto ayudó al equipo a superar la baja densidad de carga previamente encontrada al proporcionar una nueva forma de acumular y almacenar cargas superficiales de alta densidad.

El otro factor fue su diseño, cuya característica clave era un conjunto único de estructuras similar a un FET. El dispositivo está compuesto por un electrodo de aluminio y un electrodo PTFE/ITO, que implica un electrodo de óxido de indio y estaño (ITO) con una película de PTFE depositada sobre él. Cuando una gota impacta la superficie PTFE/ITO y se extiende sobre ella, puentea ambos electrodos, convirtiendo el sistema en un circuito eléctrico de bucle cerrado.

El diseño permitió una alta densidad de cargas superficiales para ser recopilada en el PTFE. Y cuando el agua que se extiende conecta los dos electrodos, las cargas almacenadas en el PTFE se liberan completamente para producir una corriente eléctrica.

Mientras el diseño de CityU se centró en impulsar la acumulación de carga, otro equipo de la Academia China de Ciencias simplificó la arquitectura del DEG para hacerlo más escalable.

El equipo de investigadores chinos propuso³ un DEG con una estructura abierta simple para aprovechar al máximo el efecto de auto-capacitancia del electrodo superior y promover su aplicación más amplia.

El problema es que es difícil proporcionar energía de forma continua para el equipo eléctrico mediante uno o varios DEG.

Como señaló el equipo, al cosechar energía de gotas de lluvia a gran escala en edificios inclinados como cobertizos, un método simple es conectar todos los DEG en paralelo para suministrar energía a la carga, como una bombilla. Así, con referencia a la estructura de celda de un panel solar y aprovechando al máximo el efecto de auto-capacitancia del electrodo superior, introdujeron el SCE-DEG con una estructura abierta simple, que está compuesto principalmente de un electrodo superior e inferior, una película de PTFE y una carga.

Los electrodos aquí no necesitan conectarse entre sí, pero aún se puede obtener una alta potencia de salida instantánea mediante el efecto de auto-capacitancia del electrodo superior, lo que hace que la estructura sea mucho más simple y conveniente para la popularización a gran escala.

Al probarlo, pudo producir 212 mW de potencia de salida con una gota de agua de 61 µL y puede iluminar 100 LED comerciales.

Más recientemente, investigadores del KTH Royal Institute of Technology, Suecia, adaptaron⁴ los electrodos inferiores del DEG para que su área sea comparable al área de expansión de las gotas de agua que impactan, lo que duplicó la potencia media de salida de las celdas individuales.

El equipo también fabricó matrices a gran escala (30 celdas) que lograron aproximadamente 2,5 veces más potencia que las matrices de última generación. Además, integraron una matriz de micro‑supercondensadores (MSC) a gran escala (400 celdas) para almacenar la electricidad generada por la matriz de 30 celdas con una eficiencia del 21,8 %, sin usar ningún chip de gestión de energía.

Esta integración crea un sistema de energía auto‑cargable (SCPS) con una potencia de salida de 81,2 µW. 

Después de que la matriz de 30 celdas del DEG cargara la matriz de 400 celdas MSC durante solo 30 segundos, el SCPS integrado puede suministrar energía a un LED para que funcione continuamente durante 60 segundos, “sugiriendo el potencial de la estrategia para integrar matrices de DEG a gran escala con matrices de MSC ultrarrápidas a gran escala para construir SCPS para la cosecha de energía de alta eficiencia a partir del agua natural hacia aplicaciones prácticas.”

Generador Flotante W-DEG: Un Camino Ligero y Rentable para la Energía Impulsada por la Lluvia

Ahora, investigadores de la Universidad de Nanjing de Aeronáutica y Astronáutica han desarrollado una nueva solución, un DEG flotante que utiliza el agua natural como parte clave de su estructura, proporcionando así una vía ligera, asequible y ecológica para la producción de energía renovable.

En lugar de tener una película dieléctrica sobre una base rígida con un electrodo metálico debajo, el nuevo diseño tiene el agua actuando como base de soporte y como electrodo conductor. Este enfoque, arquitectura de electrodo superior‑dieléctrico‑agua, reduce tanto el peso del material como el costo en un 87 % y un 50 %, respectivamente, en comparación con los modelos anteriores, manteniendo un nivel similar de salida eléctrica y demostrando una gran durabilidad en diferentes entornos de trabajo.

Publicado en National Science Review⁵, el estudio detalla la ruta de diseño “integrado con la naturaleza” que ha llevado al desarrollo de un novedoso DEG flotante integrado con agua (W‑DEG) que aprovecha las funciones eléctricas y estructurales del agua.  

Su funcionamiento es el siguiente: cuando las gotas de lluvia, una fuente de agua fresca que transporta energía no utilizada, caen sobre la superficie dieléctrica flotante, una película de etileno propileno fluorinado (FEP) responde de inmediato. Al ser químicamente inerte, la delgada película de FEP resiste variaciones extremas de temperatura, corrosión y el crecimiento de algas y bacterias.

Al expandirse la gota, crea una corriente de iones, provocando una transferencia de carga entre la región superior y la región inferior, generando una pequeña cantidad de electricidad. La superficie se restablece cuando la gota rebota.

Las propiedades naturales del agua aquí proporcionan la estabilidad mecánica necesaria para absorber el impacto y permitir que las gotas se expandan eficientemente, sin doblarse ni romperse. 

Estas propiedades naturales incluyen una fuerte tensión superficial e incompresibilidad. El agua se considera casi incompresible, lo que significa que no se comprime mucho bajo presión. Mientras tanto, la fuerte cohesión entre las moléculas de agua, causada por los enlaces de hidrógeno, crea una fuerte tensión superficial.

Los iones dentro del agua, por su parte, actúan como portadores de carga, lo que le permite funcionar como un electrodo fiable. 

En conjunto, estas características permiten que el generador flotante genere voltajes pico de alrededor de 250 voltios por gota, comparable al rendimiento de los diseños rígidos tradicionales que utilizan metal.

El diseño también es duradero, con pruebas que demuestran que el generador mantuvo su rendimiento bajo diversas condiciones, incluidas diferentes concentraciones de sal (hasta 500 milimolar de cloruro de sodio), temperaturas e incluso exposición al agua de lago al aire libre con bioincrustación — un problema considerable para dispositivos marinos.

Mientras que muchos dispositivos energéticos se degradan en entornos hostiles, el generador flotante continúa operando de forma estable gracias a la resiliencia de la estructura basada en agua y a la inercia química de la capa dieléctrica.

Al probarlo en agua altamente salina, el generador mantuvo su funcionalidad después de una semana de despliegue. Y si se depositan residuos sobre él, una limpieza simple lo devuelve a su rendimiento máximo.

Para aumentar aún más la estabilidad de su dispositivo, el equipo aprovechó la alta tensión superficial del agua para diseñar orificios de drenaje que permiten que el agua fluya hacia abajo en una sola dirección. Así, usando la gravedad y la tensión superficial, el equipo puede mitigar la acumulación de contaminantes y mantenerlo limpio, creando un sistema autorregulador para eliminar cualquier exceso de gotas. De esta manera, se evita la acumulación de agua, lo que de otro modo podría reducir la salida.

Otro aspecto clave del W‑DEG flotante es la escalabilidad. Con un tamaño de 0,3 metros cuadrados, los investigadores mostraron un generador de gotas mucho más grande que los reportados anteriormente. Cada uno de estos generadores produce ~250 voltios por gota, y pueden alimentar 50 LED simultáneamente.

Además, el sistema también pudo cargar condensadores a voltajes útiles en cuestión de minutos. El equipo pilotó 10 dispositivos W‑DEG y simuló lluvia usando 120 goteros de lluvia falsos, luego cargó el condensador a tres voltios, demostrando su potencial para alimentar sensores inalámbricos y pequeños dispositivos electrónicos.

Con un mayor desarrollo, estos sistemas podrían usarse para cosechar electricidad renovable de lagos, reservorios o regiones costeras sin ocupar valiosos recursos de tierra.

“Al permitir que el agua misma desempeñe tanto roles estructurales como eléctricos, hemos desbloqueado una nueva estrategia para la generación de electricidad por gotas que es ligera, rentable y escalable,” dijo el coautor del estudio, el profesor Wanlin Guo. “Esto abre la puerta a sistemas hidrovoltaicos sin tierra que pueden complementar otras tecnologías renovables como la solar y la eólica.”

En regiones que experimentan lluvias frecuentes, el generador flotante de electricidad por gotas podría proporcionar una solución energética distribuida que alimente aplicaciones fuera de la red o complemente las redes locales.

En comparación con un generador tradicional de gotas, que cuesta alrededor de 210 yuanes (aprox. $29,50) por metro cuadrado y pesa más de cuatro kilogramos (aprox. 8,818 libras), la versión flotante del equipo cuesta alrededor de 106 yuanes (menos de $15) y pesa solo 0,5 kilogramos (1,1 libras).

Además de la captación de agua de lluvia, el dispositivo puede tener otras aplicaciones gracias a su capacidad para flotar naturalmente en superficies de agua. Por ejemplo, puede desplegarse en diversos entornos acuáticos para alimentar sistemas de monitoreo ambiental como sensores que rastrean la contaminación, la calidad del agua o la salinidad.

Su “diseño integrado con la naturaleza”, donde el material abundantemente natural se usa como componente funcional, también podría inspirar nuevos enfoques en tecnologías ecológicas.

Pero antes de que el dispositivo pueda desplegarse a gran escala, existen desafíos que deben abordarse primero. El tamaño y la velocidad variables de las gotas de lluvia reales significan que el rendimiento del dispositivo puede verse afectado. Además, se requiere una mayor ingeniería para garantizar la robustez y durabilidad de las grandes películas dieléctricas en condiciones exteriores dinámicas.

A pesar de estos desafíos, los resultados de laboratorio han sido prometedores, y la demostración de un prototipo eficiente, duradero y escalable marca un paso clave hacia aplicaciones prácticas del DEG flotante integrado con agua (W‑DEG).

Inversión en Tecnología de Captación de Agua

Xylem (XYL ) es una empresa global de tecnología del agua enfocada en la gestión inteligente del agua, involucrada en la integración de sensores, monitoreo y sistemas de flujo de agua.

Su segmento de Infraestructura de Agua ofrece productos como equipos de tratamiento, agua, aguas residuales y bombas y controles de aguas pluviales. El segmento de Agua Aplicada cubre productos que incluyen bombas, válvulas, intercambiadores de calor y equipos de dispensado, mientras que su segmento de Soluciones de Medición & Control (MCS) desarrolla soluciones avanzadas para el uso inteligente de recursos críticos, así como instrumentación analítica para pruebas de agua. El segmento de Soluciones Integradas & Servicios proporciona sistemas de equipos para industrias y municipios.

Xylem también aprovecha la IA para monitorear el flujo de agua y detectar fugas en tiempo real. Esto permite que los problemas se detecten a tiempo y luego se solucionen rápidamente, ahorrando agua y reduciendo costos.

Con una capitalización de mercado de $36,8 mil millones, XYL cotiza actualmente a $151,3, con un aumento del 30,42 % en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 3,89 y un P/E (TTM) de 38,93. La compañía paga un rendimiento de dividendo del 1,06 %.

Para los resultados del tercer trimestre de 2025, Xylem informó “una ejecución y demanda sólidas” que resultaron en un ingreso total de $2,3 mil millones. Su ingreso neto fue de $227 millones, o $0,93 por acción, con un margen que descendió 30 puntos básicos al 10 %, y un ingreso neto ajustado de $333 millones, o $1,37 por acción.

Últimas Noticias y Desarrollos de la Acción Xylem (XYL)

Conclusión

El agua, fuente de vida de la Tierra, es una forma poderosa de energía renovable. Una forma prometedora de aprovechar este potencial es a través de la tecnología hidrovoltaica. Los investigadores que exploran cómo convertir el simple movimiento e interacción del agua en energía eléctrica utilizable han impulsado innovaciones en la generación de electricidad basada en gotas, que utiliza las gotas de lluvia que caen naturalmente del cielo y son completamente gratuitas.

Los últimos generadores de gotas flotantes apuntan a un futuro de energía renovable, donde soluciones integradas con agua y de bajo costo pueden alimentar sensores, sistemas remotos e incluso microredes mientras permanecen en armonía con la naturaleza.

Referencias

1. Yin, J., Zhou, J., Fang, S. & Guo, W. Energía hidrovoltaica en camino. Joule 4, 1852–1855 (2020). https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.07.015
2. Xu, W., Zheng, H., Liu, Y. et al. Un generador de electricidad basado en gotas con alta densidad de potencia instantánea. Nature 578, 392–396 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-1985-6
3. Li, Z., Wang, X., Liu, Y., et al. Un generador de electricidad basado en gotas para aplicaciones a gran escala. Cell Reports Physical Science 3, 100521 (2022). https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100521
4. Li, Z., Chen, S., Fu, Y. & Li, J. Optimización de eficiencia para matrices de generadores de electricidad basados en gotas a gran escala con matrices de micro‑supercondensadores integrados. Nature Communications 16, 8530 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-64289-y
5. Deng, W., Wang, Z., Wang, J., Hu, T., Wang, X., Li, X., Yin, J. & Guo, W. Generador de electricidad de gotas flotante en agua. Natl Sci Rev. 12, 11 (2025). https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf318