La desalación con energía solar
La desalación con energía solar es la nueva tendencia para reducir los costes energeticos de este tipo de tratamiento de aguas. La necesidad de agua dulce siempre estará presente, por lo tanto, las tecnologías de desalación deben mejorarse para que sean más limpias, más eficientes y más virtuosas.
El almacenamiento de agua ofrece una solución flexible para obtener la energía de fuentes más sostenibles y baratas. La implantación de energía solar desde el inicio de los proyectos de desalación es una realidad. Esta solución permite reducir los costes de explotación y reducir las emisiones de gases invernadero. Estos factores están siendo muy valorados, ya que favorecen los criterios de sostenibilidad y el respeto al medio ambiente.
Las tecnologías de desalación con energía solar MED y MSF, aunque parecen ser soluciones naturales y tentadoras, no pueden tomarse como tecnologías probadas.
Cuando se combinan los métodos de desalinización y la energía solar, se pueden producir muchas combinaciones. Existen varios proyectos de desarrollo entre los que destacan:
💦 Ósmosis inversa con fotovoltaica
💦 Canales parabólicos en desalación MSF
💦 Canales parabólicos en desalación multiefecto
💦 Ósmosis inversa con fotovoltaica
Actualmente, existen muchas plantas desaladoras que emplean bastidores de ósmosis inversa alimentados con electricidad solar fotovoltaica. Hay referencias con equipos de estas características, que han logrado rendimientos de 0,5 a 50 m3 / d.
Captan la corriente continúa de los paneles fotovoltaicos, y a través de un inversor se transforma en corriente alterna que se emplea para alimentar los equipos electromecánicos de la desaladora. También, se han realizado algunos desarrollos en la conexión de paneles a un motor de corriente continua sin escobillas. Este alimenta una bomba de baja presión, y permite el uso directo del panel fotovoltaico a la bomba.
Además, las baterías se acoplan al sistema para almacenar energía durante la noche. Esto es importante para permitir el funcionamiento continuo del sistema de ósmosis inversa.
El importe de inversión es considerable, pero teniendo en cuenta que estas plantas industriales de producción de agua funcionan los 365 días del año durante un periodo superior a 15 años. Esta inversión se recupera dentro del periodo de vida útil de la planta, reduciendo considerablemente los costes de explotación.
En caso de no disponer del presupuesto suficiente, el enfoque más adecuado es eliminar la batería de almacenamiento. Estos dispositivos pueden suponer entre el 15 y el 20% del presupuesto de la inversión.
💦 Canales parabólicos en desalación MSF
El proceso MSF es un proceso de desalación térmica. Puede utilizar energía solar con colectores cilindro-parabólicos. Vapor producido por parabólico
Los comederos se utilizan como fuente de calor a través de un intercambiador de calor para la entrada de MSF. Se puede agregar un sistema de almacenamiento térmico. Este servirá para suavizar la variación del suministro de energía térmica y permitir la producción continua de agua desalada durante la noche o en período de baja radiación (nublado).
Hay experiencias con una capacidad de 10 m3 / d, para un colector cilindro-parabólico de superficie de 220 m². Esto corresponde a la media de 10 – 60 l / m² · día para MSF con energía solar.
También existen equipos a pequeña escala disponibles comercialmente. Estos combinan el proceso MSF con cilindros parabólicos generadores de vapor. Su coste aproximado es 7-9 US $ / m3 de agua dulce producida
💦 Canales parabólicos en desalación multiefecto
Podemos encontrar numerosas instalaciones de desalación multiefecto a nivel mundial conectadas con energía solar de diferentes tecnologías. Por ejemplo: torre, colectores cilindroparabólicos, y otras.
Se ha demostrado que el coste de producción de agua para la desalinización de agua de mar en plantas de tecnología MED con instalaciones solares depende mucho del tamaño de la planta desaladora.
Según datos consultados, para grandes desaladoras con caudales de 5000 m3 / día el coste de producción es alrededor de 2 US $ / m3. Mientras que el coste aumenta hasta 3,2 US $ / m3 para desaladoras más pequeñas con caudales de 500 m3 / día.
Un ejemplo de este sistema se encuentra en una instalación de Abu Dabhi. Esta planta produce 85 m3 / día de agua dulce. Utiliza como fuente de calor el agua que pasa por los colectores solares de tubo de vacío. Tras varios años de funcionamiento, el punto crítico de la instalación ha sido el mantenimiento de las bombas debido a la sedimentación de pequeñas particulas.
Otro ejemplo, fue un proyecto con combinación de una torre solar con MED de pequeña escala produciendo 25 l / m2día para aproximadamente 5 Wxh / m2d de radiación solar.
Investigaciones en curso de desalación con energía solar
El desarrollo de la energía solar en la industria del tratamiento de aguas es una realidad. Por ese motivo hay numerosos proyectos de investigación. Se busca aumentar los ratios de eficiencia energética y reducir los costes de explotación.
La tendencia actual es construir instalaciones solares de autoconsumo para las desaladoras. Estos conocimientos los puedes adquirir en nuestro curso de fotovoltaica.
A continuación, veamos investigaciones prometedoras en distintas Universidades con prestigio internacional.
Desalinización térmica eficiente con energía solar
Un sistema de desalinización eficiente con energía solar de energía solar completamente pasivo se está desarrollado por investigadores del MIT en China Estos sistemas podrían servir a las zonas costeras áridas. Esta orientado a poblaciones fuera de la red de distribución convencional. Este sistema busca proporcionar una fuente de agua eficiente y de bajo costo.
El sistema utiliza múltiples capas de evaporadores y condensadores solares planos, alineados en una matriz vertical y cubiertos con un aislamiento transparente
La clave del sistema de desalinización térmica eficiente con energía solar está en la forma de usar cada una de las múltiples etapas para desalinizar el agua. En cada etapa, el calor liberado por la etapa anterior se aprovecha en lugar de desperdiciarse.
De esta manera, el dispositivo de demostración del equipo puede lograr una eficiencia general del 385 por ciento al convertir la energía de la luz solar en la energía de la evaporación del agua.
Un dispositivo de desalinización térmica
El dispositivo es básicamente un destilador solar de múltiples capas. Se trata de un conjunto de componentes de evaporación y condensación. Es un equipo similar al que se utiliza para destilar licor. Utiliza paneles planos para absorber el calor y luego transferir ese calor a una capa de agua para que comience a evaporarse. El vapor luego se condensa en el siguiente panel. Esa agua se recoge, mientras que el calor de la condensación del vapor pasa a la siguiente capa.
Siempre que el vapor se condensa en una superficie, libera calor; en los sistemas de condensador típicos, ese calor simplemente se pierde en el medio ambiente. Pero en este evaporador de múltiples capas, el calor liberado fluye a la siguiente capa de evaporación, reciclando el calor solar y aumentando la eficiencia general.
Cuando condensas agua, liberas energía en forma de calor. Si tienes más de una etapa, puedes aprovechar ese calor. Agregar más capas aumenta la eficiencia de conversión para producir agua potable, pero cada capa también agrega coste y volumen al sistema.
Los datos del prototipo de desalación con energía solar
El equipo se decidió por un sistema de 10 etapas para su dispositivo de prueba de concepto, que se probó en la azotea de un edificio de la Universidad MIT, ubicada en Boston (EEUU).
El sistema suministró agua pura que excedía los estándares de agua potable de la ciudad. El prototipo ofreció una cantidad de 5,78 litros por metro cuadrado de área de recolección solar. Esto es más del doble de la cantidad récord producida anteriormente por cualquier sistema de desalinización pasivo con energía solar.
En teoría, con más etapas de desalinización y una mayor optimización, dichos sistemas podrían alcanzar niveles superiores hasta multiplicar por 8 su producción.
El rechazo del equipo de desalinización térmica
A diferencia de algunos sistemas de desalinización, no hay acumulación de sal o salmueras concentradas para desechar. Esto es debido a su configuración de flotación libre. Cualquier sal que se acumule durante el día se sacaría por la noche. Esto se produce a través del material absorbente y volvería al agua de mar.
La desalación con energía solar para pequeñas poblaciones
El primer prototipo se construyó con materiales económicos y fácilmente disponibles. Su uso pretende ser para zonas desfavorecidas por lo que este parámetro se consideró desde el inicio.
El componente más caro del prototipo es una capa de aerogel transparente. Esta se utiliza como aislante en la parte superior de la pila. En siguientes mejoras, se ha pensado en emplear otros aislantes menos costosos. Otros materiales son un absorbedor solar negro comercial y toallas de papel para una mecha capilar para llevar el agua en contacto con el absorbedor solar.
Los investigadores afirman que su prototipo genera más de 1,5 galones de agua potable fresca por hora por cada metro cuadrado de área de recolección solar. Actualmente, planean más experimentos para continuar optimizando la elección de materiales y configuraciones, y para probar la durabilidad del sistema en condiciones realistas.
También trabajarán para traducir el diseño de su dispositivo a escala de laboratorio en equipos aptos para abastecer pequeñas poblaciones. La esperanza es eliminar la escasez de agua en las partes del mundo. En concreto, en zonas donde la electricidad es escasa y discontinúa, pero tienen costa litoral donde implantar el sistema.
Uno de los problemas de la desalinización solar es la baja eficiencia debido a la pérdida significativa de energía en la condensación. Al captar de forma eficiente la energía de condensación, la eficiencia general del sistema aumenta notablemente. Esta mayor eficiencia tendrá un gran impacto en la reducción del coste del agua producida. Este prototipo tiene un futuro prometedor para abastecer de agua potable zonas del planeta con pequeños núcleos de población.
Otros proyectos de desalación con energía solar
La desalación de agua marina con energía solar es el gran reto de este siglo. Según los cálculos de la FAO, para 2025, casi 2000 millones de personas podrían no tener suficiente agua para satisfacer sus necesidades diarias.
Una de las posibles soluciones a este problema es la desalinización. Esta consiste en transformar el agua de mar para que sea potable. Sin embargo, eliminar la sal del agua de mar requiere de 10 a 1000 veces más energía que los métodos tradicionales de suministro de agua dulce. Las potabilizadoras a día de hoy continúan siendo las instalaciones más eficientes para realizar este proceso.
El avance en desalación de agua marina con energía solar
Unos ingenieros del medio ambiente han desarrollado una tecnología innovadora y de bajo costo para convertir el agua de mar en agua potable. Esta nueva tecnología se basa en el empleo de energía solar y pretende hacer frente a las grandes desaladoras.
Un equipo de investigadores pertenecientes a la Universidad Politécnica de Torino (Italia) ha diseñado un nuevo prototipo para desalinizar el agua de mar. Han buscado un nuevo enfoque empleando la energía solar de una manera más eficiente. El objetivo era encontrar una nueva tecnología más sostenible y de bajo coste.
En comparación con las soluciones anteriores, la tecnología desarrollada puede duplicar la cantidad de agua producida en una energía solar determinada. Al ser un prototipo cabe un gran margen de mejora. Puede estar sujeta a una mejora de la eficiencia en un futuro próximo.
Los resultados de la investigación se han publicado recientemente en la revista científica Nature Sustainability. El grupo de ingenieros de la energía los forman: Eliodoro Chiavazzo, Matteo Morciano, Francesca Viglino, Matteo Fasano y Pietro.
Cómo funciona la desalación de agua marina con energía solar
El principio de funcionamiento de la tecnología propuesta es muy simple: «Esta inspirado por las plantas. Estas transportan el agua de las raíces a las hojas por capilaridad y transpiración. Nuestro dispositivo flotante puede recolectar agua de mar. Utiliza un material poroso de bajo costo, y de esta forma, evita el uso de materiales caros y las bombas hidráulicas complejas.
El agua de mar recogida se calienta mediante la energía solar. Esta produce la separación de la sal y del agua que se evapora a la atmosfera. Este proceso puede facilitarse mediante la inserción de membranas entre el agua contaminada y el agua potable para evitar su mezcla. Esto se ha inspirado en que algunas plantas son capaces de sobrevivir en ambientes marinos (por ejemplo en los manglares)», explicaron Matteo Fasano y Matteo Morciano.
Las tecnologías de desalación activas a nivel mundial requieren componentes mecánicos o eléctricos complejos (incluyen bombeo, procesos, y sistemas de control). Tanto el diseño como la operación y el mantenimiento requieren ingenieros con buena formacion
Tecnología pasiva de desalación de agua marina
El enfoque de desalinización propuesto por el equipo del Politécnico de Torino se basa en procesos espontáneos. Por lo tanto, no requieren la ayuda de la maquinaria auxiliar. En otras palabras, se trata de una tecnología «pasiva».
La gran ventaja de esta tecnología pasiva de desalación de agua es que se trata de un dispositivo considerablemente más barato. Según los ingenieros del medio ambiente creadores del prototipo, otra gran ventaja es que resulta fácil de instalar y de mantener.
Estas características son particularmente atractivas en las regiones de la costa que sufren escasez de agua. Y más aún en zonas con una escasez crónica de agua potable y que aún no tienen infraestructuras adecuadas para suministrar agua a la población.
El inconveniente de la tecnología pasiva de desalación de agua marina anteriormente ha sido la baja eficiencia energética en comparación con las tecnologías activas.
Los ingenieros del medio ambiente de la Universidad Politécnica de Torino han enfrentado este obstáculo con creatividad.
Así lo explicaron, «si bien los estudios anteriores se centraron en cómo maximizar la absorción de energía solar, hemos cambiado la atención hacia una gestión más eficiente de la energía solar térmica absorbida. De esta manera, hemos sido capaces de alcanzar valores récord de productividad de hasta 20 litros por día de agua potable por metro cuadrado expuesto al Sol. El motivo del aumento de rendimiento es el reciclaje del calor solar en varios procesos de evaporación en línea. Nos basamos en la filosofía de «hacer más, con menos». Las tecnologías basadas en este proceso generalmente se denominan «efecto múltiple». En desalación de agua marina ya existía el proceso de desalación multietapa (MSF)
El prototipo para la desalación de agua marina con energía solar
Este prototipo lo han trabajado durante más de dos años y ha sido testeado directamente en el mar de Liguria (Italia).
Esta tecnología es particularmente adecuada para proporcionar agua potable segura y de bajo costo en condiciones de emergencia. Un ejemplo serían áreas afectadas por inundaciones o tsunamis, ya que quedan aisladas durante días o semanas de la red eléctrica y de la red de agua potable.
Otra aplicación prevista para esta tecnología de desalación de agua marina con energía solar son los jardines flotantes para la producción de alimentos. Esta es una opción muy interesante, especialmente en áreas superpobladas.
Los investigadores continúan trabajando en este tema dentro del Centro de Agua Limpia en la Universidad Politécnica de Torino. Mientras continúan buscando posibles socios industriales para que el prototipo sea más duradero, escalable y versátil.
Por ejemplo, las versiones diseñadas del dispositivo podrían emplearse en áreas costeras donde la sobreexplotación del agua subterránea provoca la intrusión de agua salina en acuíferos de agua dulce. Este es un problema particularmente grave en algunas áreas del sur de Italia.
Sus creadores afirman que esta tecnología podría tener un buen impacto en lugares costeros aislados con poca agua potable pero abundante energía solar, especialmente en países en desarrollo. También están estudiando una adaptación para tratar aguas contaminadas por aguas industriales, en concreto orientado a plantas mineras.
Fuentes consultadas: revista Energy and Environmental Science; Universidad Politécnica de Torino
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Siempre ha trabajado en ingeniería de aguas y energía en grandes empresas como FCC y ACS. Actualmente, lidera el equipo de TECPA y disfruta con la docencia de contenidos innovadores.
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