La International Desalination Association (IDA) indica que en el mundo hay actualmente instaladas más del 22.000 plantas desalinizadoras –de las que España aporta cerca de 800–, que proporcionan agua potable a unos 300 millones de personas. La osmosis inversa (OI), que purifica el agua utilizando una membrana semipermeable para separar las moléculas de agua de otras sustancias, como la sal, es la tecnología más empleada en estas plantas: la usan el 70% de ellas. Con este sistema se logra que el agua dulce obtenida quede apta para el consumo humano, los usos domésticos y los usos industriales que la requieren. Pero, ¿qué ocurre con la salmuera generada en el proceso?
Se estima que, cada día, las desaladoras generan en el mundo 141,5 millones de m3 de salmuera. En un año, la cifra acumulada podría cubrir toda la superficie de España con una fina capa de agua hipersalina. Por lo general, donde termina este concentrado de sal es en las mismas aguas costeras de la que se ha extraido, aumentando su salinidad en un 9,1%. Algo muy peligroso para los seres vivos que habitan esas aguas o transitan por ellas. Además, disminuye la diversidad microbiana y afecta al fitoplancton (plancton vegetal acuático), al zooplancton (plancton animal), así como a los ecosistemas marinos costeros. El exceso de sal en el agua también sube su temperatura, hasta en 0,7°C cerca de los emisarios (tubos donde sale la salmuera hacia el mar) según las mediciones realizadas, lo que resulta perjudicial para toda la vida marina adyacente a estas zonas.
El lugar en el que se ubican las plantas desoladoras es otro aspecto a tener en cuenta. Como la mayor parte de la vida marina se encuentra en las primeras 10 millas (16 kilómetros, aproximadamente) desde la costa, si el exceso de sal se deposita a pocos metros de la orilla, se está afectando no sólo a las especies adultas, sino también a las millones de larvas de múltiples especies que hay en esas aguas, lo que a medio plazo afectará directamente el desarrollo de una pesca sostenible.
Las plantas desalinizadoras que obtienen la energía necesaria para operar de fuentes renovables, como la eólica o la solar fotovoltaica, evitan el uso de combustibles fósiles y sus consiguientes emisiones de CO2, lo que supone todo un avance en la reducción de la participación de esta tecnología en el calentamiento global. Pero reducir el impacto ambiental de la salmuera sigue siendo un desafío. Afortunadamente, se trata de un terreno en el que, de nuevo, las renovables, y muy en especial la solar térmica, están empezando a desempeñar un papel crucial.
Nuevo uso del efecto Soret
A miles de kilómetros de España pero tan preocupados como aquí por el cambio climático y el avance de la desertificación, investigadores de la Australian National University (ANU) han desarrollado lo que definen como el primer método de desalinización térmica del mundo en el que el agua permanece en fase líquida durante todo el proceso. Se trata de un método simple y rentable, afirman en un artículo publicado en Nature Communications, el el que explican que el proceso no opera con electricidad sino con calor generado directamente a partir de la luz solar, aunque también puede funcionar con calor residual de máquinas, como los acondicionadores de aire o los procesos industriales.
El investigador principal, el ingeniero mecánico y aeroespacial Juan Felipe Torres, señala que el fenómeno detrás de esta tecnología, llamada "termodifusión" o "efecto Soret", se descubrió en el siglo XIX, pero ha permanecido infrautilizado durante todos estos años. “La termodifusión es un fenómeno planteado por primera vez en detalle en la década de 1850 por el científico suizo Charles Soret, quien experimentó con un tubo de agua de 30 centímetros donde una parte del agua estaba más fría y la otra más caliente”, dice Torres. “Soret descubrió que los iones de sal se mueven lentamente hacia el lado frío”, añade.
Para probar si este efecto se puede utilizar para la desalinización del agua, el investigador y su equipo hicieron pasar agua de mar a través de un canal estrecho calentado desde arriba a 60 grados y enfriado desde abajo a 20 grados. “La difusión tardaba 53 días en alcanzar un estado estable con un tubo de 30 centímetros, que es demasiado largo para nuestros propósitos y no es escalable”, dice el científico. Pero lejos de desanimarse ante estos resultados, Torres y su equipo se pusieron a buscar una manera de acelerar el proceso. Así descubrieron que ajustar las condiciones de separación del agua podría aumentar significativamente su velocidad y limitarlo a solo un par de minutos. “La clave fue reducir la altura del canal de 30 centímetros a un milímetro y agregar múltiples canales”, dice Torres.
Shuqi Xu, estudiante de doctorado en la ANU y primer autor del trabajo, añade que una vez que la sal migra al agua más fría, el dispositivo reprocesa el agua más cálida y purificada a través del canal, mientras se elimina el agua más fría y salada. “Cada vez que el agua pasa por el canal, su salinidad se reduce en un tres por ciento”, dice Xu. “Nuestra investigación muestra que después de ciclos repetidos, la salinidad del agua de mar se puede reducir de 30.000 partes por millón a menos de 500”, concluye.
Este proceso supone todo un cambio de paradigma en relación a las tecnologías de desalinización actuales de ósmosis inversa, donde la sal se filtra a través de una membrana y que requieren grandes cantidades de energía eléctrica (y materiales costosos) para operar. “El 80% de los métodos de desalinización del mundo utilizan ósmosis inversa”, dice Torres. “Pero si continuamos afinando la tecnología actual sin cambiar los fundamentos, puede que no sea suficiente. Un cambio de paradigma es esencial para sostener la vida humana durante el próximo siglo”, añade.
Los investigadores australianos han instalado una unidad de desalinización comercial impulsada por esta nueva tecnología en el archipiélago de Tonga (Polinesia), para probar su aplicación en la agricultura y las estrategias de mitigación de la sequía, al tiempo que siguen trabajando en su mejora, gracias al apoyo financiero de la Asociación de Ciencia y Tecnología para el Clima (SciTech4Climate) de Australia y del Instituto de Clima, Energía y Soluciones para Desastres (ICEDS) de la Australian National University.
Agua “termohalina”
Otra prometedora investigación, en este caso desarrollada conjuntamente por Ingenieros del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, EEUU) y de la Universidad Jiao Tong de Shanghai (China), convierte el agua de mar en agua potable con un dispositivo totalmente pasivo que toma agua salada y la calienta con luz solar natural.
Según explican los investigadores en la revista Joule, la configuración de su dispositivo permite que el agua circule en remolinos, de forma similar a la circulación termohalina del océano -un fenómeno que impulsa el movimiento del agua en todo el mundo en función de las diferencias de temperatura (termo) y salinidad (halina) del mar-. Esta circulación, combinada con el calor del sol, hace que el agua se evapore y quede la sal. El vapor de agua resultante puede condensarse y recogerse como agua pura y potable, mientras que la sal sobrante, en lugar de acumularse y obstruir el sistema, sigue circulando a través y fuera del dispositivo. Además, este sistema produce más agua y rechaza más sales que todos los demás sistemas de desalinización solar pasiva que se están probando, de acuerdo con el equipo científico.
Los investigadores, que siguen avanzando en la mejora de su dispositivo, han logrado ya un diseño que consigue tanto un alto índice de producción de agua como un elevado rechazo de sales, lo que significa que el sistema puede producir agua potable de forma rápida y fiable durante un periodo prolongado. La clave de ello es una combinación de un sistema multietapa de evaporadores y condensadores, junto con su configuración, ideada para impulsar la circulación de agua -y sal- dentro de cada etapa. El dispositivo recuerda una caja delgada, rematada con un material oscuro que absorbe eficazmente el calor del sol. En su interior, la caja está dividida en una sección superior y otra inferior. El agua puede fluir por la mitad superior, donde el techo está revestido con una capa evaporadora que utiliza el calor del sol para calentar y evaporar el agua en contacto directo. A continuación, el vapor de agua se canaliza hacia la mitad inferior de la caja, donde se enfría mediante condensación hasta convertirlo en líquido potable sin sal.
Un dispositivo como este, del tamaño de una maleta pequeña, podría producir entre 4 y 6 litros de agua potable por hora –equivalente a las necesidades diarias de unas tres personas– , produciendo agua a un ritmo y a un precio más baratos que del grifo, dicen los investigadores. Otra ventaja es que el dispositivo podría funcionar varios años antes de necesitar piezas de repuesto y abastecer a comunidades costeras sin conexión a la red, donde el agua de mar es fácilmente accesible, añaden.
"Por primera vez, es posible que el agua producida por la luz solar sea incluso más barata que el agua del grifo", dice Lenan Zhang, del Laboratorio de Investigación de Dispositivos del MIT. "Con una alta producción de agua dulce y una resistencia extrema a la sal, nuestro dispositivo reduce significativamente el costo de producción de agua, allanando el camino hacia la adopción práctica de la desalinización solar pasiva para una economía hídrica sostenible", concluyen los autores de esta investigación, financiada, en la parte china, por la Fundación de Ciencias Naturales del país asiático.
Este innovador planteamiento mitiga eficazmente otros retos clave en el campo de la desalinización, como la degradación del rendimiento de los equipos debido a la acumulación de sal, por lo que podría resultar especialmente beneficioso para regiones que tienen aguas de alta salinidad. Además, su diseño modular lo hace muy adecuado para la producción doméstica de agua.
60 años de experiencia en España
En España, la instalación de desaladoras comenzó hace varias décadas; exactamente en 1964 en las Islas Canarias, extendiéndose en los siguientes años a la costa mediterránea y a Baleares. Inicialmente, el agua desalada se destinaba a abastecer zonas urbanas, aunque en los últimos años se ha abierto la posibilidad de ampliar este uso al campo, especialmente en las zonas más secas de las provincias de Almería, Murcia y Alicante.
Respecto al elevado coste de energía que supone mantener en marcha las desoladoras con combustibles convencionales (y sus impactos asociados), tres investigadores del Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente (IIAMA) de la Universitat Politècnica de València (UPV) han puesto también sus miras en en el potencial de las energías renovables para solventar este obstáculo; específicamente, en la energía solar fotovoltaica para la optimización, eficiencia energética y reducción de costes de estas instalaciones.
Miquel Ángel Martínez Medina, Miguel Ángel Pérez Martín y Teodoro Estrela Monreal, los tres investigadores del IIAMA, han publicado en la revista ‘Marine Science and Engineering’ los resultados de su trabajo, señalando, en primer lugar, el papel crucial que desempeña la desalación en el Mediterráneo: “el frágil equilibrio entre los recursos hídricos, la demanda de agua y las exigencias medioambientales, agravado por el cambio climático, puede restringir las actividades de desarrollo económico e intensificar los conflictos hídricos existentes (en esta región)”, dicen.
Su enfoque es complementar con solar fotovoltaica la energía que demandan las plantas desaladoras de Torrevieja (Alicante), que es la mayor de España y Europa (240.000 m3/día); y las de Valdelentisco y Águilas (ambas en Murcia). Afirman que usar electricidad solar en estas instalaciones puede reducir el coste de desalar hasta un 24%, lo que hace viable su uso en zonas con agricultura productiva. En cuencas como la del Segura, que sufre una gran escasez de recursos y posee un sector agrícola muy productivo, el coste sería menor a 0.4 EUR/m3. El análisis económico que acompaña su trabajo ha revelado, además, que el tamaño óptimo de las instalaciones fotovoltaicas para la planta de Torrevieja varía entre 60 y 120 MW, mientras que en el caso de las plantas de Valdelentisco y Águilas el tamaño óptimo oscila entre 80 y 165 MW.
Su investigación pone de relieve que la integración de sistemas fotovoltaicos en desaladoras no solo es técnica y económicamente viable, sino que ofrece una solución sostenible para la gestión de los sistemas de recursos hídricos y el mantenimiento de la agricultura. Pero ya se sabe que ciencia y política no siempre van de la mano. De momento, el gobierno valenciano (en manos de PP y Vox) ha mostrado su rechazo a la instalación de solar fotovoltaica en la desoladora de Torrevieja, como planteaba el gobierno central.
Técnicas para purificar aguas salobres
Otra investigación muy prometedora, en este caso centrada en aguas salobres de tierra adentro y realizada en el marco del proyecto europeo Life Desirows, lleva el sello de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT) y demuestra la eficacia y viabilidad de combinar hasta siete tecnologías de desalación y desnitrificación para recuperar agua para uso agrícola sin generar residuos y utilizando exclusivamente energías renovables: fotovoltaica, biomasa y el viento para los procesos de secado.
Con un presupuesto de la UE de 867.000 euros, este proyecto -liderado por Regenera Levante y en el que también participan la comunidad de regantes Arco Sur Mar Menor, Hidrogea e Hidrotec– enfrenta un problema que vive muy de cerca la Región de Murcia, pero que con el cambio climático sufrirán otras partes del mundo. Emprendieron su investigación con objetivos ambiciosos: maximizar el uso del recurso hídrico en el campo de Cartagena, con valores superiores al 92% de agua recuperad; minimizar el consumo energético y el coste para los agricultores; evitar la emisión de gases de efecto invernadero y vertidos al Mar Menor; y eliminar los residuos a través de la cristalización de la salmuera, de forma que las sales resultantes sean reaprovechables como subproducto para la industria.
Y sí, han comprobado que todo ello es posible utilizando solo energías renovables, y a un coste asumible, para aportar la energía necesaria para eliminar la salmuera y los nitratos del agua de pozo del campo de Cartagena. Lo han logrado combinando hasta siete tecnologías de ósmosis inversa de última generación, lo que les ha permitido tratar hasta 20 metros cúbicos de agua al día en la planta piloto instalada en las instalaciones de Arco Sur Mar Menor, con los equipos funcionando durante unas diez horas diarias. Los investigadores calcularon, también, los diferentes consumos eléctricos para cada combinación de tecnologías y concluyeron que la opción que requiere de menos potencia instalada es el uso de la ósmosis inversa y la evaporación atmosférica, con datos de consumo idénticos, 4 kWh/m3, a los de la desalación de agua marina.
Reducir el coste de la desalación y la reutilización del agua es vital para la continuidad y la sostenibilidad de la agricultura en nuestro país: el 21% del agua desalada y el 60% de la regenerada que se producen en España se destinan a la agricultura, lo que las convierte en un elemento fundamental para las actividades agrícolas.
Cinco millones de m3 al día
Las 770 desaladoras que hay en España producen más de 5 millones de metros cúbicos de agua desalada al día, según datos de la Asociación Española de Desalación y Reutilización (AEDyR).
En total, hay 54 plantas desaladoras de agua de mar, con una producción superior a los 10.000 m3/día, y 34 plantas desaladoras de agua salobre, con una capacidad de producción similar. Generan, en conjunto, 1.301.554 m3/día, es decir, el 26% de los 5.000.000 de m³/día de agua desalada que según AEDyR se producen en España para abastecimiento, riego y uso industrial. Las plantas desaladoras de capacidad media y baja, tanto de agua de mar como salobre, tienen unas producciones comprendidas entre los 100 m3/día y los 10.000 m3/día.
Minería de la salmuera
En el merco del proyecto europeo Sea4Value, el centro tecnológico catalán Eurecat participa en el desarrollo de un nuevo proceso para la recuperación de materiales y minerales de alto valor, procedentes de la salmuera generada en las plantas de desalinización del agua del mar, y convertirlos en una fuente de materias primas, en línea con la economía circular. Elementos como el magnesio, rubidio, germanio, fósforo, molibdeno, vanadio y litio –y bastantes más- podrían obtenerse de este nuevo yacimiento líquido que es la salmuera de la desalación.
Eurecat participa también en el proyecto iRAIN, que busca desarrollar un innovador sistema de gestión de recursos hídricos a través de la investigación de nuevos sistemas y tecnologías para regenerar y reutilizar aguas residuales y sus nutrientes para uso agrícola de forma segura. El centro tecnológico coordina la parte científico-técnica del proyecto, que lidera Facsa, empresa dedicada a la gestión del ciclo integral del agua desde hace 150 años.
La investigadora de la Unidad de Agua, Aire y Suelos de Eurecat Caroline Sielfeld explica que “en el contexto actual de escasez hídrica, son necesarias soluciones de reutilización del agua que sean competitivas, sostenibles y que puedan asegurar una calidad suficiente para aplicaciones diversas, así como la recuperación de componentes de los efluentes”.
Este reportaje se puede leer también en ER 233 (julio-agosto 2024)
