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Energía

¿Desalinización de agua de mar con energías renovables?

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Roberto Ulises Cruz Aguirre

En senada, Baja California, México, 11 de febrero de 2021, México Ambiental/Cicese.- El proceso es caro, utiliza grandes cantidades de energía (térmica, eléctrica, mecánica), y tiene altos costos para el medio ambiente. Está focalizado principalmente en países ricos del Medio Oriente y el norte de África, pero también podemos ver ensayos industriales en otras regiones que tienen problemas de agua como California, Australia, China y España.

Nos referimos a la desalinización de agua de mar. Pese a que existe un abastecimiento casi ilimitado de agua de mar en el mundo (podría por ello pensarse que representa una solución a la creciente escasez de agua dulce), los costos financieros y energéticos limitan su potencial.

De acuerdo a un reportaje del New York Times publicado en octubre de 2019, el agua desalinizada representa apenas el uno por ciento de toda el agua dulce del mundo. Considerando que la razón primordial de que sea cara son los costos energéticos para producirla y lo que le cuesta al medioambiente el proceso (vía emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la gran cantidad de energía que se emplea, y en la eliminación del agua residual -salmuera- que no solo es extremadamente salada, sino que está mezclada con sustancias químicas tóxicas usadas para su tratamiento), uno podría pensar: utilicemos mejor, energías renovables para producirla.

Bueno, pues de ese 1% de aguas desalinizadas que tenemos en el mundo, 99% se generan con combustibles fósiles. Esto es, que solamente 1% de la capacidad global de agua desalada opera con energía renovable. Sí, el 1% del 1%

Y uno podría pensar: Baja California es una región semiárida y tiene acceso irrestricto al agua de mar, igual que Arabia Saudita, por ejemplo. Pues sí, pero no tenemos el petróleo que tienen ellos, y eso es relevante porque actualmente una cuarta parte de todo el petróleo y gas que produce aquel país se usa para generar electricidad y producir agua dulce.

Dr. Francisco Javier Carranza Chávez, investigador del Cicese

Así de grande es el reto que tiene esta industria y los científicos que trabajan en el tema, para mejorar los procesos y materiales usados actualmente para desalinizar (casi todas las plantas desalinizadoras nuevas en el mundo utilizan ósmosis inversa, una tecnología que se introdujo hace medio siglo), las formas de manejar los desechos, y de incorporar energías limpias para revertir estos porcentajes y hacer más costeable y sustentable todo el proceso.

Por ello fue muy oportuno el seminario que ofreció el doctor Francisco Javier Carranza Chávez, investigador del grupo de Energías Renovables del CICESE, pues explicó por qué la necesidad de desalinizar agua de mar en México, cómo aprovechar las energías renovables para hacerlo y las opciones que existen para abastecer y aprovechar el agua en un entorno como el nuestro, en el que la disponibilidad de metros cúbicos de agua dulce por habitante por año (849 m3 en 2017), está muy por abajo del promedio en México (3,656 m3, mismo año) y del límite mínimo recomendado por la ONU (1,700 m3).

Primero, unas generalidades, cortesía del doctor Carranza. El agua de mar estándar está a 25 grados Celsius, tiene una salinidad de 35 gr de sólidos disueltos por cada kilogramos o 35 partes por mil. Si removemos las sales obtenemos agua desalinizada o agua producto. Desalinizar es un proceso industrial que consume grandes cantidades de energía en forma de calor o de electricidad, genera desechos y contamina. El consumo teórico de energía para desalinizar un metro cúbico de agua de mar es de aproximadamente 0.9 kilowatts/hora. Esto es en teoría. En la practica es mucho más. Las plantas más eficientes que hay actualmente consumen entre 2.5 y 3.0 kilowatts/hora/metro cúbico para ciertos procesos. Las plantas más antiguas obviamente consumen más. Las plantas térmicas consumen todavía más.

Este proceso genera desechos, el principal es la salmuera. De toda el agua que se extrae del mar para desalinizarla no toda se desaliniza. Aproximadamente 40 o 50 por ciento se regresa al mar en forma de salmuera, y ésta lleva más salinidad porque acarrea las sales que se removieron del agua producto. Esa salinidad puede ir de 50 mil hasta 85 mil partes por millón. También la salmuera puede tener una temperatura de 5 a 10 grados Celsius mayor que la temperatura del mar donde se desecha, y puede contener sustancias químicas del pretratamiento que se le da al agua de mar antes de desalinizarla.

Otro desecho que genera son gases de efecto invernadero (que son contaminantes) porque casi toda la desalinización en este momento utiliza combustibles fósiles. Así, por cada metro cúbico de agua desalinizada se estima que se emiten a la atmósfera de 1.9 hasta 23.41 kilogramos de CO2, dependiendo del proceso que se utiliza.

¿Por qué desalinizar el agua?

Según estadísticas de la CONAGUA, México tuvo en 2017 un total de 451 mil 585 millones de metros cúbicos de agua renovable, que es el agua factible de ser explotada sustentablemente. Pero su distribución no es uniforme en todo el país. En la zona centro y norte se localiza 33% del agua renovable. En esta zona vive 77% de la población, que en 2016 contribuyó con 83% del PIB. En contraste, en la zona sur se concentra 67% del agua renovable, pero solo vive 23% de la población que ese mismo año contribuyó con apenas 17% del PIB.

Por ello la desalinización podría considerarse viable solo para algunas regiones de México. Francisco Carranza aporta más información: En 2017 había 123.5 millones de habitantes en México, y 451 mil 585 millones de metros cúbicos de agua renovable. Si dividimos este dato entre la población obtenemos una disponibilidad de 3 mil 656 metros cúbicos por habitante en ese año, cifra que está muy por arriba del límite mínimo establecido por la ONU para que un país pueda satisfacer sus necesidades hídricas de forma eficiente, que es de mil 700 metros cúbicos por habitante por año.

En 2017 el volumen de agua concesionado para todas las actividades productivas y consumo humano en el país fue de 87 mil 841.5 millones de metros cúbicos. Si esta cantidad se divide por el agua renovable nos da un parámetro que se llama grado de presión hídrica, que fue de 19.5% promedio para todo el país. Este porcentaje es bajo y no representa ningún problema. Pero si analizamos la situación estado por estado vamos a tener un panorama muy distinto.

La población de Baja California en 2017 fue de 3.58 millones de habitantes, mientras que el agua renovable alcanzó 3 mil 45 millones de metros cúbicos ese año. Esto nos da una disponibilidad de 849 metros cúbicos por habitante por año, una cifra muy por abajo del límite mínimo recomendado por la ONU. También en este año hubo un volumen concesionado de 3 mil 41.9 millones de metros cúbicos. Si este dato se divide por el agua renovable se obtiene un grado de presión hídrica de 99.9% para esta entidad, que es muy alto.

¿En qué se utiliza la mayor parte del agua en Baja California? 85% del agua concesionada va a la agricultura, 6% se utiliza en abastecimiento público, 6% en generación eléctrica, y 3% en la industria y servicios.

En la ciudad de Ensenada la demanda de agua en 2020 fue de 968 litros por segundo. Sin embargo, considerando la capacidad de los acuíferos y de la planta desalinizadora que tenemos (250 litros por segundo), la oferta es de 714 litros por segundo; es decir, tenemos un déficit de 254 litros cada segundo. A veces la oferta se cumple trayendo agua de otros lugares (desde la desembocadura del río Colorado -cerca del Valle de Mexicali-, vía Tijuana a través del acueducto de flujo inverso), pero a veces no.

Otro dato adicional. En 2019 en Ensenada se trató 100% del agua residual conectada, pero solamente se reutilizó la mitad; el 50% restante se desechó sin que pudiera aprovecharse. Si las aguas tratadas se reutilizaran al 100% podría aumentar la oferta de agua para los habitantes del municipio.

En conclusión: ¿por qué es necesario desalinizar agua de mar? De acuerdo a lo explicado por Francisco Carranza:

  • Porque somos muchos habitantes.
  • Porque contaminamos mucho.
  • Porque tenemos una muy mala gestión del agua.
  • Por el cambio climático.
  • Porque no aprovechamos toda el agua que estamos tratando.
  • Porque no hemos aprendido a captar agua de lluvia o a reutilizar las aguas grises.
  • Porque nuestra agricultura está muy lejos de estar 100% tecnificada.

¿Se pueden aprovechar las energías renovables para hacerlo?

Los principales métodos utilizados actualmente para desalinizar agua de mar, según refirió el doctor Carranza son: ósmosis inversa (RO), destilación por efecto múltiple (MED), evaporación instantánea multietapas (MSF) y electro diálisis (ED). Hay otros métodos, pero se consideran alternativos y requieren todavía de más investigación y desarrollo para aumentar su participación, por lo que las plantas que existen son generalmente demostrativas. Son destilación solar (SS), compresión de vapor (VP), destilación por membrana (MD) y humidificación-deshumidificación (HD).

El primer grupo de métodos concentró 96% de la producción de agua de mar desalinizada en 2015, desglosada de la siguiente manera: RO, con 65% de la capacidad global instalada ese año; MSF, con 21%; MED, con 7%, y ED, 3%. El 4% restante corresponde a los llamados métodos alternativos.

Cualquiera que sea, estos métodos necesitan energía para operar, sea eléctrica, térmica o mecánica, y esta energía necesita provenir de alguna fuente. Hasta 2018 solamente 1% de la capacidad global de agua desalada se obtuvo con energías renovables, principalmente solar y eólica. La solar se divide en fotovoltaica y térmica, y representan 43 y 27 por ciento, respectivamente, de ese 1%. La eólica representa 20 % y para 10 % restante, se utilizaron energías geotérmica, del océano, y calor de desecho, entre otras.

Como ya se mencionó, 99% del agua producida restante se obtuvo con energía no renovable, principalmente a partir de combustibles fósiles, pues aparentemente solo hay una planta demostrativa que utiliza energía nuclear.

Francisco Carranza señala: “La desalinización necesita mucha energía, pero el grado de penetración de las energías renovables en este ámbito es muy pequeño. ¿Por qué? Los métodos industriales (para desalinizar agua de mar) no se desarrollaron al mismo tiempo que los usados para obtener energía renovable; tienen más tiempo de existencia. Y se desarrollaron para ser impulsados generalmente con combustibles fósiles, pues están pensados en satisfacer demandas muy grandes de agua. Esto los hace muy inflexibles para ser operados con otras fuentes de energía. Si bien la ósmosis inversa (RO) y la destilación por efecto múltiple (MED), ambos industriales, son amigables para ser operados con energía renovable, los otros métodos en desarrollo son mucho más amigables con las fuentes renovables. Sin embargo, en este momento solamente son capaces de satisfacer demandas muy bajas de agua”, indicó.

¿Por qué es complicado utilizar fuentes de energía renovables para el proceso de ósmosis inversa? Entendamos primero el principio en que se basa. Si tenemos una solución concentrada, por ejemplo, agua de mar, separada de agua dulce a través de una membrana semipermeable, la presión osmótica va a hacer que parte del agua dulce cruce la membrana hacia la solución concentrada porque se tiene que dar un equilibrio químico. Ese es el proceso de ósmosis. Si queremos que ocurra lo contrario necesitamos aplicarle presión a la solución concentrada por algún medio externo, y esa presión necesita ser mayor que la presión osmótica. Por ejemplo, a 35 partes por millón y 25 grados Celsius para el agua de mar, esta presión es de 27.3 atmósferas, aunque una planta real trabaja en cerca de 60 atmósferas. Así, una planta de ósmosis inversa consume de 3 a 4 kilowatts por hora por metro cúbico de agua producto, y tiene una recuperación de 35 a 60% en cada paso. Si no utilizamos agua de mar, sino salobre, el consumo de energía baja notablemente porque la salinidad del agua es menor, y también el volumen de agua desalada puede aumentar considerablemente, hasta 90%. El problema es que no siempre hay agua salobre disponible.

Ahora bien, ¿cómo se distribuye el gasto de energía en una planta de ósmosis inversa? 75% se utiliza solamente en el proceso específico de ósmosis inversa, es decir, en las bombas y las membranas; 13.8% de la energía restante en pretratamiento, 6.1% en la toma de agua de mar, básicamente en bombeo, en algunos otros procesos internos de la planta se va 4.6% y en la etapa de re mineralización 2.4%. Esto no incluye los costos de bombeo para distribuir el agua producto a los usuarios finales.

¿Se puede utilizar energía solar fotovoltaica en plantas de ósmosis inversa? “En principio sí porque la tecnología para hacer paneles solares e instalarlos, como la de las membranas, es una tecnología industrializada. Tiene un costo de operación bajo y es un esquema muy rentable en zonas aisladas con mucha radiación solar y que no tiene acceso a la red eléctrica. También es una opción económica para demandas pequeñas (unos 100 metros cúbicos al día) siempre y cuando la zona esté completamente aislada.

“Las desventajas son que su costo inicial es elevado; se requiere mucho espacio para instalar los campos de celdas fotovoltaicas; si la temperatura ambiente rebaza los 45 grados Celsius la temperatura en la superficie de las celdas será todavía más alta, necesitarán enfriamiento y esto va a costar. Si no se enfrían las celdas su producción de energía va a disminuir considerablemente. Otra desventaja es la intermitencia de la irradiación solar; si se atraviesan nubes la eficiencia será baja, además de que las plantas de ósmosis inversa no están diseñadas para funcionar de forma intermitente porque pueden dañarse las membranas, que son el corazón del sistema. Por lo tanto, es casi obligatorio tener un sistema de almacenamiento de energía (un banco de baterías), que también es costoso, o un sistema ya no de energía renovable, que puede ser un generador diésel. Y también por la intermitencia, este tipo de sistemas necesitan estar muy automatizados con un sistema de control estricto. De esta manera, aunque su operación puede ser de bajo costo, técnicamente hablando no es simple. En 2018 el costo de agua producto de un sistema de éstos estaba alrededor de 6 dólares por metro cúbico o menos, para agua de mar”.

En contraste, la destilación por efecto múltiple (MED) es un poco más amigable con las energías renovables. Estas plantas constan de una serie de compartimientos llamados efectos, en los cuales se evapora el agua de mar. Una planta comercial puede tener de 8 a 16 efectos, y utiliza un sistema que funcionan a presiones de vacío (menores que la presión atmosférica). A menor presión se requiere menor temperatura para evaporar el agua, y la diferencia de temperatura y presión entre uno y otro es muy pequeña. Requieren una operación muy estricta, pero su gran ventaja, y que lo hace amigable con la energía renovable, es que su temperatura de operación está entre 60 y 90 grados Celsius, y ésta puede alcanzarse con colectores solares que ya están desarrollados, como tubos al vacío o concentradores parabólicos. Sin embargo, la desventaja de este método comparado con ósmosis inversa es que consume mucha más energía: de 5.5 hasta 9 kilowatts hora por metro cúbico, tanto para evaporar agua de mar como para operar las bombas que mantienen los flujos de agua, y su recuperación es menor que las membranas. Una ventaja que sí tiene sobre los métodos de ósmosis inversa es que el agua de alimentación requiere muy poco pretratamiento, su destilado es generalmente de alta calidad y puede manejar aguas de mayor salinidad que en ósmosis inversa.

En este momento, explicó el doctor Carranza, no hay ninguna planta comercial MED que opere con energía renovable. “Se han construido muy pocas plantas a nivel demostrativo y su operación está resultando ser muy distinta a como opera una planta grande. En China funciona una planta de éstas, pero como un sistema de cogeneración; es decir, produce agua y produce electricidad (4 mil megawatts de energía y produce 2 mil 315 litros por segundo de agua)”.

Como se trata de una planta muy grande, explicó que todos los sistemas industriales, sean MED, ósmosis inversa o cualquier otro, deben ser de ese tamaño. “Y operar algo así únicamente con energía renovable en este momento es muy complicado”.

En contraste, explicó a detalle el funcionamiento de los llamados sistemas alternativos, que sí, efectivamente, son bastante más amigables para operar a partir de energías alternas, pero que en este momento solo son capaces de satisfacer demandas muy bajas de agua.

¿Alternativas?

Por lo tanto, vale la pena preguntarnos: ante la desalinización de agua de mar, ¿hay otras opciones para aprovisionarnos de agua?

“La respuesta breve es sí. La más lógica es reducir la demanda de agua. ¿Y esto cómo lo podemos hacer? Implementando técnicas más avanzadas de agricultura y de riego, que es donde más se utiliza agua (70% aproximadamente), no solo en Baja California sino en el mundo entero. Otra forma de reducir la demanda es minimizar fugas y tomas clandestinas de agua; aprender a captar el agua de lluvia en medios urbanos y rurales (y utilizarla, obviamente), y a promover el reúso de aguas grises, que es, en conjunto, educar a la población en el uso eficiente del agua.

“Otra alternativa para reducir la demanda es tratar toda el agua residual generada y utilizarla al 100%. En términos de consumo de energía, es más barato tratar agua residual y utilizarla, que desalinizar agua de mar. En promedio se consumen entre 2.5 hasta 3 kilowatts hora por metro cúbico para tratar aguas residuales, mientras que las técnicas más eficientes en este momento en la industria para desalinizar agua de mar consumen 3 kilowatts hora por metro cúbico si es ósmosis inversa, y puede llegar hasta 9 kilowatts hora por metro cúbico si son métodos térmicos, o incluso más si las plantas no operan de forma eficiente”.

Al finalizar su seminario, Francisco Carranza destacó cinco puntos a manera de conclusiones:

  1. En las zonas cercanas al mar con escasez de agua, la desalinización debe considerarse como el último recurso localmente disponible para generar agua potable.
  2. Debe priorizarse el tratamiento y reúso de 100% de las aguas residuales.
  3. De los métodos industriales, solo RO y MED muestran mayor compatibilidad para ser impulsados con sistemas de energía híbridos, pero se requiere más investigación y desarrollo.
  4. Los métodos alternativos son adecuados solo para demandas muy bajas de agua, pero son muy flexibles para ser operados con energías renovables. De igual manera, se requiere más investigación y desarrollo.
  5. Es muy importante educar a toda la población en el aprovechamiento responsable del agua.