DESALINIZACIÓN MEDIANTE ENERGÍA SOLAR PARA PRODUCCIÓN DE AGUA POTABLE

1. Problemática:

Cerca de 700 millones de personas en el mundo no tienen acceso a agua potable. Y 1.800 millones de personas vivirán en condiciones de escasez grave de agua para el 2025, según Naciones Unidas.

El Perú desde hace ya unos años que se ve afectado por la aparición de una severa crisis hídrica que viene tomando impulso gracias al calentamiento global y que se prevé convierta al Perú en uno de los países con estrés hídrico a 2040. Si bien posee suficientes reservas hídricas para hacer frente, durante un breve período, a la escasez de agua potable, existe una alternativa más rentable a largo plazo.

Entonces ¿Dónde estaría la solución?
Vamos a necesitar encontrar nuevas fuentes de agua potable, y ¿por qué no el océano? Contiene más del 97.2 por ciento de los recursos hídricos del planeta, y dado que la desalinización suministra solo alrededor del 1 por ciento del agua potable del mundo, hay mucho espacio para expandir.

La desalinización, técnica para extraer sal y minerales del agua salina, ha estado en uso por generaciones. De hecho, se estima que 300 millones de personas obtienen su suministro de agua dulce de casi 18 mil plantas de desalinización en todo el mundo.

2. Objetivos:

• Diseñar una Planta desalinizadora autosustentable.
• Abastecer de agua potable a la población de Pimentel.
• Usar tecnologías limpias y eficientes para reducir el CO2.

3. Localización: 

Para este proyecto nos centramos al sur del Distrito de Pimentel, específicamente en las coordenadas ° 50′ 9.28″ S, 79° 56′ 8.16″ W

4. Funcionamiento:

Captación de agua:

En la primera etapa ocurre la captación de agua de mar que se puede realizar mediante toma abierta o mediante pozos, para luego ser recepcionada mediante tuberías que llevan el agua hacia la zona donde será tratada.

En relación con el aspecto cualitativo, la toma abierta genera más incertidumbres ya que es más vulnerable a todo tipo de vertidos contaminantes, presenta mayor variabilidad de calidad, y está sujeta a variaciones de temperatura; Por el contrario, el agua de pozo presenta una calidad mejor y es más homogénea.

Ahora bien, desde el punto de vista de la garantía de caudal, las ventajas son para la toma abierta, ya que la experiencia demuestra la dificultad de asegurar el caudal de producción en el agua de pozo por lo que, para plantas de gran tamaño se aconseja la toma abierta de agua de mar, aunque presente el inconveniente de una mayor complejidad en la etapa de pre-tratamiento.

Pre-tratamiento:

En esta etapa se comienza separando el agua de los sólidos que tuviera en suspensión y además, es pre-tratada con hipoclorito de sodio que actuará como antimicrobiano.

Luego esta agua pasa hacia unos filtros de arena, donde se elimina la materia en suspensión hasta un tamaño de unas 100 micras. En algunas ocasiones es necesario realizar una desinfección, para eliminar las bacterias y virus y, si la cantidad de materia en suspensión es elevada, se debe añadir también un floaculante (cloruro férrico por ejemplo).

Después, habrá un filtrado más exhaustivo para las partículas microscópicas mediante un microfiltrado con carbón activo.

Por último, el agua después de filtrada se hace pasar por los microfiltros de cartucho de un paso inferior a 5 micras. Para evitar las incrustaciones se adiciona ácido (sulfúrico ó clorhídrico), y un anti-incrustante. 

El pretratamiento de una instalación de desalinización está concebido para conseguir los siguientes objetivos:

• Eliminar turbidez y sólidos en suspensión
• Ajustar y controlar el pH
• Inhibir y minimizar la formación de componentes que puedan obstruir o precipitar sobre las membranas
• Impedir desarrollos biológicos en el sistema

Recuperación de energía y bombeo de alta presión:

Las bombas de alta presión (60-70 bar) son los equipos que alimentan las membranas de ósmosis inversa a la presión adecuada para que pueda producirse la separación entre el perneado (agua desalada) y el rechazo (salmuera).

El gran consumo de energía que se produce en esta fase del proceso ha provocado el desarrollo de diferentes sistemas de recuperación de energía que, desde las turbinas de contrapresión, han evolucionado a las turbinas tipo Pelton y a sistemas muy recientes de cámaras intercambiadoras de presión.

Ósmosis Inversa:

El proceso de ósmosis inversa es la pieza clave de toda la instalación, puesto que es la encargada de convertir agua salada en dulce. Dicha presión es la contraria a la osmótica y por ello, requiere de una presión que obliga al proceso. El fluido irá de la mezcla más concentrada a la menos, perdiendo las sales por el camino, retenidas en algunos de los muchos filtros porosos que contiene el mecanismo.

¿En que consiste?

La ósmosis inversa consiste en usar una membrana semipermeable, lo que quiere decir que deja pasar el agua pero no las sales. Si le aplicas a un lado presión muy alta (70 bares para desalar agua de mar) se fuerza que el agua atraviese la membrana y salga sin sales al otro lado mientras que se queda un concentrado de agua más salada.

Tales membranas permiten la difusión de agua desde una zona que se encuentra a baja concentración en solutos (básicamente sales) a otra que se encuentra a mayor concentración. Esta diferencia de concentraciones provoca una diferencia de presión osmótica a ambos lados de la membrana. Actualmente es el método más eficiente para desalar agua de mar desde el punto de vista energético.

Una vez que pasa través de las membranas se obtienen dos corrientes: una concentrada en sales, denominada “rechazo”, que posee una presión elevada y cuya energía es susceptible de ser recuperada mediante una turbina Pelton; y otra, pobre en sales, que se denomina “permeado”.

¿Por qué se llama ósmosis inversa?

La ósmosis inversa es un proceso de separación que está basado en la ósmosis natural, fenómeno que se verifica en los organismos vivos a nivel de sus membranas celulares.  La ósmosis es un fenómeno natural que se produce cuando el agua procedente de una solución menos concentrada pasa, a través de una membrana semipermeable, hacia otra solución de mayor concentración, hasta alcanzar su equilibrio. De esta manera, la ósmosis inversa puede visualizarse como el proceso que revierte el proceso de ósmosis natural.

Rechazo de salmuera:

La salmuera resultante es devuelta al mar en unas condiciones de concentración diluida para evitar problemas en el ecosistema marino, proceso que es ayudado mediante sistemas de dispersión. El vertido de esta, si bien es muy concentrado, representa un pequeño caudal relativo, por lo que no cabe esperar serias amenazas para el medio marino, aunque debe ser controlado para evitar daños en determinadas especies vegetales.

Post-tratmiento:

El agua osmotizada ha de someterse a una fase de post-tratamiento para adecuarse a los parámetros de calidad destinados al agua producida. El agua desalinizada se caracteriza por su desequilibrio iónico y bajo pH; por ello es necesario la adopción de medidas correctoras mediante técnicas de remineralización que permitan obtener agua potable. Finalmente el agua permeada es conducida a su almacenamiento en donde recibe la dosificación de reactivos adecuada para dotarla de la calidad necesaria para su uso posterior.

¿Es un agua de buena calidad?

Sí. Las membranas no permiten que pasen elementos tóxicos y sirve para consumo urbano, agrícola e industrial. Las membranas industriales retienen un 99% de todos los elementos minerales disueltos y el 100% de las materias coloidales más finas.


¿Tiene efectos negativos para el medio ambiente? 

Los ecologistas y expertos señalan principalmente tres: su coste energético, la captación de agua y la salmuera.

5. Características:

• Utilización de Energías Renovables No Convencionales.
• Eficiente proceso de membranas semipermeables: Ósmosis Inversa.
• Disponibilidad de agua potable a partir de agua de mar.
• Demanda de energía satisfecha por oferta energética proporcionada por las celdas solares.

6. Impacto Ambiental:

La desalinización es una de las pocas fuentes capaz de convertir el agua del mar en agua apta para el consumo. Sin embargo, a pesar de sus beneficios, la desalinización implica una serie de impactos ambientales que todavía deben ser resueltos para convertirla en un método más eficiente y, sobre todo, sostenible.

Problema: Salmuera

Uno de esos impactos es la salmuera que se devuelve al mar después del ósmosis, afectando el delicado equilibrio de los océanos. La salmuera puede suponer un riesgo para el ecosistema debido a que es más densa que el agua de mar a su alrededor, la salmuera se hundirá rápidamente y se extenderá a lo largo del lecho marino, envolviéndola en una película de bajo oxígeno que sofoca cualquier vida marina.

El volumen y concentración de sales contenida en la salmuera dependerá de la tecnología utilizada. En este caso usando la Osmosis Inversa el volumen de salmuera es 2,5 a 3 veces el volumen de agua desalada, por lo tanto, la concentración de sales es considerable y puede ocasionar un gran impacto en los ecosistemas marinos y los organismos que habiten en ellos.

No obstante, los cambios medioambientales que pueden generarse por la descarga de la salmuera, responden tanto a las condiciones oceanográficas (profundidad, temperatura, recarga natural de agua, entre otras) del lugar como a la calidad, cantidad y frecuencia del vertido.

Solución: Conversión en subproductos

Para resolver el problema de vertidos de salmuera las desalinizadoras optan por asociarse con una empresa dedicada a la recuperación de componentes de la salmuera y procesarlo en sub-productos útiles: Sal de alta pureza, conservas de alimentos o yeso agrícola.

- Sal pura:

El proceso de cristalización de la sal consiste en la formación de partículas sólidas a partir de una solución líquida mediante evaporación. Cuando la temperatura sube, las moléculas de agua de la superficie comienzan a evaporarse. Esto hace que el volumen de la salmuera se reduzca, al tiempo que aumenta la concentración de cloruro sódico.

A partir del momento en que se sobresaturan, la sal comienza a separarse en cristales. Los cristales de sal se adhieren unos a otros y se depositan sobre la superficie. La sal cristalizada se recolecta de forma mecanizada y se transporta a zonas de almacenaje antes de someterla al proceso final que consta de un lavado para conseguir la mayor pureza posible.

 - Conservas:

Las hortalizas que se conservan en salmuera, son aquellas que se desea conservar la mayoría de sus características en cuanto a sabor y en lo posible también en textura, además de potenciar el sabor, es por ello que aquella hortalizas que se conservan por éste método utilizan una salmuera débil, que va en un rango de entre un 5 a un 10 % de sal.

Del mismo modo, la salmuera es muy útil para conservar alimentos enlatados o en frascos cristalizados, puesto que impide el crecimiento de microorganismos que los descomponen y en casos como la conserva de la col o el pepinillo les brinda un sabor único ser conservados en esta.

Problema: Captación de agua

Grupos activistas ambientales han apuntado otro problema, cuando el agua es captada del océano al inicio del proceso también arrastra peces y otros organismos hacia esas máquinas. En algunos países no se considera que esto sea un problema, puesto que toman la precaución de tener tamices para evitar que se arrastren los peces vivos y si se arrastran poderlos devolver. Las desalinizadoras absorben grandes cantidades de agua y, junto con ella, alevines de pescado, huevos, plancton y numerosos otros organismos que forman la capa base de la red trófica.

Solución: Tomas Sub-superficiales

Una posible solución al problema de la ingesta es succionar el agua del subsuelo. Las tomas sub-superficiales se utilizan en un número cada vez mayor de plantas en todo el mundo, ya que las nuevas tecnologías de perforación, como la perforación direccional que ha posibilitado la fracturación hidráulica, han permitido consumos subsuperficiales en más lugares.

7. Energías Renovables:

La principal crítica que se le ha realizado tradicionalmente a las plantas desalinizadoras es su alto gasto energético. Pero como vemos, los costos energéticos (y por tanto económicos) de desalar agua de mar se han reducido de un modo significativo en los últimos 30 años, lo que ha provocado su expansión en todas las zonas costeras del mundo con problemas de suministro. Ahora, las principales críticas que se hacen a la desalinización es que sigue estando fuera del alcance para muchos países en vía de desarrollo. En todo caso, las empresas instaladoras de plantas desalinizadoras están centrando sus esfuerzos en reducir el consumo energético y adaptarse a las exigencias medioambientales, de manera que en el futuro esta tecnología resultará mucho más barata y estará al alcance de más naciones.

Es necesario precisar que la energía solar fotovoltaica es la que se obtiene a partir de la conversión de energía luminosa del sol, mediante la transformación de esta en electricidad por medio de células fotovoltaicas integrantes de módulos solares. Las ventajas que presenta son: es totalmente renovable e inagotable; es una forma de producir energía totalmente limpia; los paneles solares no emiten sustancias contaminantes a la átmosfera, ni contribuyen al cambio climático ni al efecto invernadero; estos módulos solares nos permitirán ahorrar energía y dinero.

Para el funcionamiento de esta planta nos hemos basado en energías renovables, en sí, en la solar. Para el empleo de energía solar fotovoltaica en la desalación por ósmosis inversa se requiere un sistema de captación fotovoltaica que genera una corriente eléctrica, alimentando una bomba de alta presión para bombear el agua a desalar en los procesos de ósmosis inversa. En Pimentel con un promedio de 6 Kw/m², y según el catálogo de la marca Dankoff Solar Products, se necesitaría alrededor de 126 667 módulos. Para el cual hemos destinado un área de 110 hectáreas.

8. Beneficios:

Social:

 -Provisión de agua potable a zonas con estrés hídrico o desatendidas.

 -Generar empleos de manera directa e indirecta.
Económico:

 -Reducción de costos energéticos y de producción de agua potable.

 -Menor coste del servicio de agua.
Ambiental:

 -Fin de la dependencia de combustibles fósiles y por ende reducción del CO2.

 -Concientización de la gente por el cuidado del agua.

9. Linkografía:

Desmond Oyoh, Tolumo. DESALINATION IN WATER TREATMENT AND SUSTAINABILITY. Tesis , Hämeenlinna: HAMK University of Applied Sciences, 2016.

Martins, Alejandra. BBC. 22 de Marzo de 2017. http://www.bbc.com/mundo/noticias-39332148 (último acceso: 30 de Abril de 2018).

Al-Harbi, Omar, y Karl Lehnert. «Al-Khafji Solar Water Desalination.» The Saudi International Water Technology Conference 2011. Al-Khafji: KACST, 2011. 1-56.

B'kayrat, Raed. «Solar Powered Desalination Solutions for Saudi Arabia.» BP of Business Development Saudi Arabia. Arabia Saudí: First Solar, 2014. 1-28.

Delgado-Thompson, William Rigoberto. Incorporating Renewable Energy in a Desalination Plant – Case Study in El Paso, Texas. Tesis, Texas: University of Texas at Austin, 2017.

El-Ghonemy. «Future sustainable water desalination technologies for the Saudi Arabia: A review.» Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012: 6568-6597.

Moniz Azevedo, Francisco Diogo. Renewable Energy Powered Desalination Systems: Technologies and Market Analysis. Tesis, Lisboa: Universidade de Lisboa, 2014.

Soto Álvarez, Guido, y Manuel Soto Benavides. Desalación de agua de mar mediante sistema Osmosis Inversa y Energía Fotovoltaica para provisión de agua potable en Isla Damas, Región de Coquimbo. Documento Técnico del PHI-LAC, Nº 33, Coquimbo: Centro del Agua para Zonas Áridas y Semiáridas para América Latina y el Caribe (CAZALAC), 2013.