ARTICULO.- La situación actual de la desalinización

La situación actual de la desalinización

Escrito por Juan Carlos García

(ingenieriaquimica.net) La desalinización es una tecnología que está muy en boga, especialmente por la escasez de agua a nivel mundial, problema que no hace más que agravarse con el paso de los años, tanto por el descenso de las fuentes de agua disponibles, como por el aumento de la demanda. Las diferentes tecnologías existentes tienen, en general, varios años de desarrollo a sus espaldas, sin embargo, todavía hay un gran campo que desarrollar al respecto y sobre todo, salvar los obstáculos, que los nuevos tiempos le van planteando en el camino: requerimientos ambientales, consumos energéticos, impacto ambiental, etc.

SITUACIÓN GENERAL DE LA DESALINIZACIÓN

Recientemente la IDA y el GWI han publicado el Libro Anual de la Desalinización. IDA ( International Desalination Association) proporciona asesoramiento experto en la industria de la desalinización y la reutilización del agua a través de la organización de eventos, cursos, publicaciones, etc. GWI ( Glogal Water Intelligence) es una organización que se dedica al análisis de la situación de la industria del agua a  nivel mundial.

Las principales conclusiones que ofrece este informe son las siguientes:

En los últimos 5 años, se ha producido un 57% de incremento en la capacidad de desalinización a nivel mundial. La capacidad de las plantas instaladas a lo largo y ancho del mundo, se ha establecido en 78,4 millones de metros cúbicos de agua salada por día, comparados con los 47,6 millones de metros cúbicos por día al final del 2008.

Este crecimiento en el mercado de la desalinización refleja el hecho de que las comunidades costeras se están incrementando y se están volviendo cada vez más hacia el mar para cubrir sus necesidades de agua potable, mientras que en las poblaciones interiores hay una clara tendencia hacia la utilización de agua salobre. Alrededor del 60% de la capacidad de desalinización es para el tratamiento del agua salada, mientras que el restante 40% está dedicada al agua salobre.

Históricamente, las plantas desalinizadoras más grandes se construían en la región del Golfo Pérsico, donde no hay otras alternativas para el suministro de agua potable. Actualmente, la combinación de bajos costes de membranas y un incremento en la escasez de agua ha provocado el traslado de esta tecnología a otras regiones mundiales. Por ejemplo, la planta desalinizadora más grande a base de membranas, actualmente en funcionamiento en el mundo, se puso hace un mes en marcha en Melbourne, Australia ( Victoria Desalination Plant), con una capacidad de 444.000 metros cúbicos por día.. Ahora bien, esta planta, pasará pronto a una tercera posición, cuando se pongan en marcha las plantas de Magtaa, en Algeria, con una capacidad de  500.000 metros cúbicos diarios y la de Soreq, en Israel, con una capacidad diaria de 510.000 metros cúbicos.

La mayor planta de desalinización térmica del mundo, está instalada en Shoaiba, Arabia Saudita y tiene una capacidad de 880.000 metros cúbicos, aunque será en breve relegada a un segundo lugar, cuando entre en funcionamiento, en 2014 la planta de Ras Al Khair, también en Arabia Saudita con una capacidad de 1.025.000 metros cúbicos diarios. Esta planta, tiene la particularidad de utilizar una tecnología mixta, de membranas y térmica.

Las expectativas de la industria de la desalinización son realmente espectaculares. De acuerdo con Christopher Gasson (GWI) en este momento, alrededor del 1% de la población mundial depende de agua desalinizada para poder cubrir sus necesidades diarias. Sin embargo, para el 2025, la ONU espera que el 14% de la población mundial se encontrará en situación de escasez de agua. A no ser que se promuevan y usen tecnologías que supongan un cambio radical en la conservación y  utilización del agua, la industria de la desalinización tiene un gran futuro. La desalinización de agua de mar, es actualmente el único proceso que permite obtener agua potable de una fuente renovable.

En el corto plazo, sin embargo habrá un plazo de ralentización en el crecimiento del mercado, porque llevará algo de tiempo que la demanda se acomode a la oferta existente, debido al increíble crecimiento de los últimos 5 años.

El crecimiento en la desalinización no es linear y depende de múltiples factores, tales como el precio del petróleo, el precio de determinados commodities y la facilidad para la financiación de unas obras que requieren grandes inversiones iniciales. Sin embargo, los factores intrínsecos que dirigen el crecimiento de las necesidades de agua, siguen inalterados, incluyendo el crecimiento de la población mundial, el desarrollo industrial y la contaminación de las fuentes de agua tradicionales.

Al mismo tiempo, la industria de la desalinización ha hecho mucho por bajar los costes, principalmente desarrollando tecnologías que bajan los requerimientos de consumo energético. Por otra parte, se han mejorado prácticas de operación que incrementan la eficiencia y se han adoptado medidas para mejorar los efectos medioambientales.

La desalinización está adoptada en 150 países, desde Australia a China y Japón, Estados Unidos, España y otros países europeos, de Oriente Medio y África del Norte. Arabia Saudita es el país que tiene una mayor capacidad instalada, seguida de cerca de Estados Unidos y Emiratos Árabes Unidos.

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Figura 1. Distribución mundial de unidades de desalación. Fuente: Pacific Institute (2009)

LOS RETOS DE LA DESALINIZACIÓN

Las tecnologías de desalinización actuales tienen una gran cantidad de retos: presentan unos altos requerimientos energéticos, así como un potencialmente muy alto impacto negativo en la producción de emisiones de dióxido de carbono. A continuación se detalla por tecnologías los requerimientos energéticos y costes de las diferentes alternativas existentes actualmente.

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Fuente: ONU: Comisión Económica y Social para el Este de Asia (ESCWA), 2009. (MSF flash multietapa; MED destilación multiefecto; RO ósmosis inversa)

Los puntos claves desde el punto de vista medioambiental son los siguientes:

  • Energía utilizada y su relación con las emisiones de dióxido de carbono debido al origen del suministro de las plantas de desalinización:
  • Directo, cuando la capacidad de desalinización está acoplada a motores de generación con combustibles fósiles.
  • Indirecto, cuando las plantas están acopladas a la red de suministro y esta a su vez se nutre de orígenes con un alto consumo de combustibles fósiles.
  • Descargas incontroladas de salmuera, que pueden contaminar los acuíferos y dañar los ecosistemas acuáticos, debido a las altas temperaturas y al contenido en sales.
  • Contaminantes, debido a los pretratamientos químicos y anticorrosivos, o incluso contaminantes nucleares, cuando la planta va integrada en una instalación nuclear.
  • Otros factores, como contaminación por ruido, emisiones gaseosas y escapes químicos.

Desde el punto de vista de la localización, podemos mencionar.

  • Integración con las redes energéticas o con tecnologías móviles.
  • Uso de la energía, especialmente en lugares con dificultades de acceso a esta.
  • Implantación de los equipos, ya que debido al aumento de las necesidades de suministro, por el incremento de la población, están requiriendo cada vez más superficie.
  • Transferencia de los costes al agua, debido a costes de capital, costes energéticos, de operación y mantenimiento, así como el coste del origen del agua.
  • Creación de la infraestructura para transferir el agua desde el punto de tratamiento al punto de uso.
  • Pérdidas de agua cuando se usan infraestructuras existentes.

Otros retos adicionales son el alto nivel de capital requerido para la construcción de las plantas, así como los altos niveles de gastos de operación durante todo el ciclo de vida de la planta.

TECNOLOGÍAS EXISTENTES

La desalinización es una tecnología que elimina las sales disueltas y otros minerales del agua salada o salina. El proceso produce una corriente de agua con una baja concentración de sales (permeado o producto) y otra con una alta concentración de sales (salmuera o concentrado). El agua de alimentación tiene que ser desalinizada desde los 30.000-50.000 ppm TDS en el caso del agua de mar o los 500-30.000 ppm en el caso del agua salobre. La salmuera resultante puede tener TDS superior a 50.000 ppm.

Las tecnologías actualmente existentes, son las siguientes:

Tecnologías de membrana Tecnologías térmicas Otras tecnologías
Ósmosis inversa (RO)
Ósmosis directa (FO)
Electrodiálisis (ED)
Electrodiálisis inversa (EDR)
Destilación solar
Flash multietapa (MSF)
Destilación multiefecto (MED, algunas veces denominada evaporación multiefecto o MEE)
Compresión térmica de vapor (TVC)
Compresión mecánica de vapor (MVC)
Destilación por membranas (MD)
Electrodeionización (EDI)
Deionización capacitiva (CDI)
Separación por congelación ( FS)
Destilación por vacío
Congelación
Intercambio iónico
Evaporación en spray

 

A nivel comercial las tecnologías más ampliamente utilizadas son la ósmosis inversa (RO), la flash multietapa (MSF) y la destilación multiefecto (MED o MEE). Históricamente, las tecnologías térmicas han dominado el mercado de la desalinización, especialmente en Oriente Medio. Tanto MSF como MED tienen unos grandes consumos energéticos y térmicos para funcionar, si bien MED tiene unos costes de inversión superiores a MSF, pero menores costes de funcionamiento.

La ósmosis inversa tienen unos consumos energéticos menores que MSF y MED. Actualmente, con los costes de energía subiendo, el número de plantas de RO que se construyen con respecto a las tecnologías térmicas no deja de incrementarse. Ahora bien, los costes operacionales no energéticos pueden ser superiores a los de las tecnologías térmicas, por lo que hay un gran esfuerzo de innovación en la bajada de estos costes. Algunos ejemplos de innovación relacionados con la ósmosis inversa son:

  • Desarrollo de membranas más baratas.
  • Desarrollo de membranas con menores requerimientos de presión.
  • Desarrollo de dispositivos recuperadores de energía.
  • Membranas mejoradas por compuestos nano (nanotubos de carbono o canales de aquaporinas para mejorar el caudal).
  • Cambios en las configuraciones.

Por otro lado y dependiendo de la localización del origen del agua, la ósmosis inversa puede no ser siempre el tratamiento más efectivo desde el punto de vista del coste, ya que los pretratamientos también tienen su importancia en este punto. Por ejemplo, cuando nos encontramos con aguas con una alta turbidez y gran presencia de vida marina, que provoca el conocido y temido bio-fouling).

En algunos casos, la construcción de plantas híbridas puede ser la solución más económica. En general se opta por soluciones MSF-RO o MED-RO. Este tipo de plantas tiene una mayor flexibilidad que MSF y MED por si mismas, y solucionan algunos de los problemas relacionados con los pretratamientos asociados a la RO. Por otra parte, la salmuera procedente de los procesos de RO es más fría que la procedente de los procesos térmicos, y cuando se mezcla con la descarga de MSF/MED la salmuera resultante se puede verter más fácilmente.

Finalmente, hay que mencionar que se utilizan diferentes procesos y productos químicos para optimizar el funcionamiento de los pretratamientos y las plantas en si. La innovación en estas áreas puede ser una fuente muy importante de eficiencias, bajada de costes de operación y reducción de los impactos ambientales.

Para terminar, realizaré una breve descripción de las diferentes tecnologías de desalinización actualmente existentes:

TECNOLOGÍAS DE MEMBRANA

ÓSMOSIS INVERSA (RO). También llamada hiper filtración, es una técnica de filtración por membranas. La membrana osmótica, permite a las moléculas de agua pasar a través de ella, pero no a las sales y minerales. La ósmosis se define como la difusión del agua a través de una membrana semi-permeable de una disolución con una cantidad baja de sólidos disueltos ( TDS) a otra con un alto nivel de TDS. En la ósmosis inversa, la alimentación de agua salada, solución con alta TDS, se bombea con bombas de alta presión a través de las membranas semi permeables, para producir la solución con bajo TDS, de manera que se produce la separación de dos corrientes de agua, una salada y otra de agua con un bajo contenido en sales.

La presión necesaria está directamente relacionada con el contenido en TDS del agua. Esto significa que los requerimientos energéticos del sistema están relacionados directamente con el TDS del agua de alimentación.

Las membranas de ósmosis inversa se ven afectadas por el scaling (incrustación de sales minerales) y el fouling (ensuciamiento por materia orgánica y microorganismos), lo que reduce la capacidad de filtración de las membranas. Para proteger las membranas, en lo posible de estos fenómenos se usan tratamientos pre-filtración ( filtros silex y similares, ultrafiltración, nanofiltración) y pretratamientos químicos.

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Figura 2: vista de bastidores de una planta desaladora por ósmosis inversa

ÓSMOSIS DIRECTA (FO). En esta tecnología una solución de arrastre se usa en el lado opuesto de la membrana al del agua de alimentación. El agua es arrastrada hacia la solución de arrastre, creando una corriente que es una mezcla de la solución de arrastre y agua desalada y otra de agua con un mayor contenido en sales. Se debe utilizar una solución de arrastre que permita una separación fácil entre el agua y la solución.

ELECTRODIÁLISIS (ED) Y ELECTRODIÁLISIS INVERSA (EDR). La electrodiálisis usa fuerzas eléctricas para separar los iones disueltos del agua de alimentación. Se aplica una carga eléctrica a la corriente de agua. El agua se mueve a través de una serie de pares de membranas, llamado una pila de membranas. Cada par de membranas consiste en una membrana de transferencia catión ( que solo deja pasar a los cationes) y otra anión (que solo deja pasar a los aniones). Como el agua se mueve a lo largo de la pila de membranas, los cationes y aniones se mueven respectivamente hacia el cátodo  el ánodo. Esto crea corrientes de agua desalinizada y salina. Es un proceso que solo puede separar sustancias ionizadas y por lo tanto su utilidad y rentabilidad está sólo especialmente indicada en el tratamiento de aguas salobres o reutilización de aguas residuales, con un consumo específico y mantenimiento comparable en muchos casos a la ósmosis inversa.

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Figura 3: Esquema básico de funcionamiento de un equipo ED

TECNOLOGÍAS TÉRMICAS

DESTILACIÓN SOLAR. En una laguna se somete el agua de alimentación a la radiación solar, lo que causa que el agua se evapora y se condensa en una superficie de condensación. El condensado se guía fuera como agua potable mientras el concentrado se queda en la laguna y constituye la salmuera. Esta técnica es de bajo coste, pero requiere grandes superficies.

FLASH MULTIETAPA (MSF). En el sistema MSF el agua a desalar se calienta en un recipiente a baja presión lo que permite la evaporación súbita. Este proceso se repite a lo largo de una serie de etapas en las que la presión va disminuyendo según las distintas condiciones. Generalmente, la cámara flash se sitúa en la parte baja de un condensador de dicho vapor generado en la cámara inferior. Por lo tanto, la recuperación de calor necesario para la evaporación se obtiene gracias a la unión sucesiva de etapas en cascada a diferente presión, y es necesario el aporte mínimo de la condensación de un vapor de baja o media calidad proveniente de una planta de generación eléctrica.

 

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Figura 4: Esquema básico de funcionamiento de un equipo MSF

 

Es el proceso de destilación más utilizado en el mundo, sobre todo en Oriente Medio. Especialmente indicado para aguas con altas salinidad, temperatura y contaminación; su capacidad es mucho mayor que la de otras plantas destiladoras. Pero tiene el inconveniente de que su consumo específico de energía es de los más grandes entre los procesos conocidos, lo que lo hace sólo permisible para naciones con energía barata.

DESTILACIÓN MULTIEFECTO (MED o MEE). Al contrario que en el proceso MSF por efecto flash, en la destilación por múltiple efecto (MED) la evaporación se produce de forma natural en una cara de los tubos de un intercambiador aprovechando el calor latente desprendido por la condensación del vapor en la otra cara del mismo. Una planta MED (Multi-Effect Distillation) tiene varias etapas conectadas en serie a diferentes presiones de operación , dichos efectos sucesivos tienen cada vez un punto de ebullición más bajo por el efectos de dicha presión. Esto permite que el agua de alimentación experimente múltiples ebulliciones, en los sucesivos efectos, sin necesidad de recurrir a calor adicional a partir del primer efecto. El agua salada se transfiere luego al efecto siguiente para sufrir una evaporación y el ciclo se repite, utilizando el vapor generado en cada efecto. Normalmente también existen cámaras flash para evaporar una porción del agua salada que pasa al siguiente efecto, gracias a su menor presión de operación.

COMPRESIÓN TÉRMICA DE VAPOR (TVC). La compresión térmica de vapor obtiene el agua destilada con el mismo proceso que una destilación por múltiple efecto (MED), pero utiliza una fuente de energía térmica diferente: son los llamados compresores térmicos (o termocompresores), que consumen vapor de media presión proveniente de una planta de producción eléctrica (si tenemos una planta dual, sino sería de un vapor de proceso obtenido expresamente para ello) y que succiona parte del vapor generado en la última etapa a muy baja presión, comprimiéndose y dando lugar a un vapor de presión intermedia a las anteriores adecuado para aportarse a la 1ª etapa, que es la única que consume energía en el proceso.

COMPRESIÓN MECÁNICA DE VAPOR (MVC). Trabaja en la misma forma que el TVC, pero emplea la compresión mecánica en vez de los termocompresores. En la compresión mecánica de vapor se evapora el agua salada, en un lado de la superficie de intercambio, y se comprime lo suficiente para que condense en el otro lado y pueda mantenerse el ciclo de destilación de agua salvando las pérdidas del proceso y la elevación de la temperatura de ebullición del agua salada respecto a la pura.

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Figura 5: Esquema básico de funcionamiento de un equipo MVC

ABSORCIÓN POR COMPRESIÓN DE VAPOR. Se crea una diferencia de presión entre dos acumulaciones de agua. Esta diferencia de presión conduce la evaporación y condensación para la producción de agua potable.

OTRAS TECNOLOGÍAS

DESTILACIÓN POR MEMBRANAS ( MD). Es un proceso combinado de evaporación y filtración. El agua salada bruta se calienta para mejorar la producción de vapor, que se expone a una membrana que permite el paso de vapor pero no del agua ( membrana hidrófoba). Después de atravesar la membrana, el vapor se condensa sobre una superficie más fría, para producir agua desalada. En estado líquido este agua no puede retroceder atravesando la membrana por lo que es recogida y conducida a la salida.

ELECTRODESIONIZACIÓN (EDI). La electrodesionización emplea una combinación de membranas selectivas de iones y resinas de intercambio, montadas a modo de sándwich entre dos electrodos [ánodo (+) y cátodo (-)] sometidos a una diferencia de potencial eléctrico de CC, la cual fuerza la migración en continuo de los iones desde la cámara de alimentación hasta las cámaras adyacentes de concentrado. Este potencial también rompe las moléculas de agua produciendo iones hidrógeno e hidróxilos que continuamente producen la regeneración de la resina (no se emplean reactivos). El proceso de EDI reemplaza a los convencionales lechos mixtos (MB) de resinas produciendo agua de calidad ajustable, no necesitando paradas para la regeneración ni sustitución de resinas.

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Figura 6: Esquema básico de funcionamiento de un equipo EDI

 

DESIONIZACIÓN CAPACITIVA (CDI). El proceso funciona secuestrando iones en la superficie de la doble capa de un electrodo cargado eléctricamente. Además, como los iones quedan almacenados en una superficie cargada, el dispositivo es capaz de almacenar energía exactamente igual que un condensador electroquímico.

CONGELACIÓN (FS). Este proceso consiste en congelar el agua y recoger los cristales de agua pura formados para fundirlos y obtener un agua dulce independientemente de la concentración del agua inicial. Aunque pueda parecer un proceso muy sencillo tiene problemas de adaptación para su implantación a escala industrial, ya que el aislamiento térmico para mantener el frío y los mecanismos para la separación de los cristales de hielo deben mejorarse para que este proceso sea algún día competitivo, así como adaptar la tecnología a intercambiadores de frío.

INTERCAMBIO IÓNICO. Las resinas de intercambio iónico son sustancias insolubles, que cuentan con la propiedad de que intercambian iones con la sal disuelta si se ponen en contacto. Hay dos tipos de resinas: aniónicas que sustituyen aniones del agua por iones OH- (permutación básica), y resinas catiónicas que sustituyen cationes por iones H+ (permutación ácida). La desmineralización por intercambio iónico proporciona agua de gran calidad si la concentración de sal es menor de 1 gr/l. Por lo tanto se utiliza para acondicionar agua para calderas a partir de vapores recogidos o acuíferos, o en procesos industriales contratamiento de afino. Las resinas normalmente necesitan regeneración con agentes químicos para sustituir los iones originales y los fijados en la resina, y terminan por agotarse. Su cambio implica un coste difícilmente asumible para aguas de mar y aguas salobres. Este proceso tiene una implantación industrial muy profunda en las plantas de tratamiento de aguas para el ciclo de vapor de centrales térmicas.

EVAPORACIÓN SPRAY. El agua de alimentación se aplica en spray a alta velocidad lo que permite evaporar el agua, mientras la sal se deposita. El agua en forma de vapor se condensa como agua desalinizada. Esta técnica tiene un gran potencial para usarse como recuperación de salmueras.