De Dr. Mercedes Ibarra, Fraunhofer Center for Solar Energy Technologies

No hay ninguna duda hoy en día de la conexión entre los recursos de agua y energía y su relación con el desarrollo económico de  gran parte de las sociedades e industrias. Para producir agua necesitamos energía y para producir energía requerimos agua. Esta conexión tiene numerosas  implicancias y ramificaciones, como el efecto  de proyectos energéticos (por ejemplo, embalses) sobre el recurso hídrico o las consecuencias que tendrá el cambio climático en el acceso a estos recursos.

Si además añadimos una actividad económica e industrial como la minería, que requiere de ambos recursos de manera importante, y que, por tanto, corre el riesgo de limitar el acceso a ellos a otros sectores sociales, podemos entender que resolver el acceso al agua minimizando la energía utilizada no solo puede beneficiar a la minería misma, sino a todo el tejido socioeconómico que la rodea. Es por ello que desde Fraunhofer Chile estamos apostando por la desalación solar.

La humanidad ha querido transformar el agua salada en potable desde tiempos inmemoriales. Los principios de separación de las sales y el agua están descritos por Aristóteles, Tales de Mileto, Demócrito y Plinio, entre otros. Árabes y marineros de la Edad Media utilizaron alambiques para la destilación de agua salada. Sin embargo, la primera desaladora propiamente dicha se instala recién en 1878y nada menos que  en el desierto de Atacama. Ahí se  utilizó una salina de 5000 m² diseñada por el ingeniero Carlos Wilton [1] para suministrar agua a una minera de nitrato de sodio.,.

La desalación es un proceso de separación entre un soluto (sales) y un disolvente (agua) sometido a un proceso endotérmico, es decir, requiere energía. La energía mínima para separar el soluto del disolvente es de 1,2 kWh/m³ [2]. Dicha energía no considera otros consumos de energía relacionados con la desalación, como el bombeo de agua para su transporte desde el mar o subsuelo hasta la planta de tratamiento y/o desde la planta hasta el punto de consumo, ni el consumo de los pretratamientos. Por tanto, es una tecnología con grandes requerimientos energéticos

Sin embargo, la habitual coincidencia geográfica y estacional de la alta radiación solar y la escasez de agua hace de la energía solar un candidato óptimo para la desalación.

Una de las tecnologías más simples son los sistemas de desalación solar directa, en el que la captación de la radiación solar y la desalación se integran en un mismo dispositivo. Un ejemplo de este tipo de sistemas son los destiladores solares, en los que un depósito de agua salina se cubre con un material transparente, dejando pasar la radiación solar. En este dispositivo, el agua se evapora y condensa en la cubierta.

Sin embargo, para mejorar las eficiencias — que son bastante bajas en los sistemas directos ­— los sistemas indirectos son más adecuados. En estos, una tecnología de desalación convencional se acopla con la tecnología solar más adecuada.

La osmosis inversa es la tecnología más instalada en el mundo (69 % de instalaciones operativas [3]). Esta utiliza energía eléctrica para bombear agua con alta presión (hasta 25 bar) a través de una membrana semipermeable, que permite separar las sales del agua. En este caso, la conexión con sistemas de energía fotovoltaica  es evidente, tanto para plantas desaladoras de gran capacidad (> 1000 m³/d) como para sistemas de pequeña escala pensados para consumos por debajo de 1 m³/d [4].

A pesar de su uso extendido, la tecnología también tiene desventajas, ya que las membranas son particularmente propensas a la incrustación (scaling) y ensuciamiento (fouling). La incrustación se produce por partículas que se acumulan en los poros de las membranas y las obstruyen, lo que resulta en un mayor consumo de energía y un menor rendimiento. El ensuciamiento produce un crecimiento de microorganismos en los poros de la membrana, lo que también produce obstrucciones.

Para no dañar las membranas de los sistemas osmosis inversa, se requiere un flujo o presión mínimos, de lo contrario surgen incrustaciones y ensuciamientos. En consecuencia, se requieren sistemas de almacenamiento de energía (baterías) con altos costos de inversión y operación o acceso a la red eléctrica. Además, se necesita una superficie de módulos fotovoltaicos relativamente grande para desalar una cantidad suficiente de agua, la cual no está siempre disponible.

La siguiente tecnología más instalada en el mundo es la térmica,  la que contempla varias tecnologías: la destilación multiefecto, la evaporación súbita multietapa, la destilación por membranas, la ósmosis directa y la destilación multiefecto con compresión de vapor.

Estos sistemas requieren agua caliente o vapor entre 70 – 130 °C y, por tanto, la tecnología solar seleccionada dependerá de la temperatura máxima a la que tienen lugar los fenómenos de evaporación-condensación involucrados. Su principal ventaja es que la calidad del agua de alimentación no es tan crucial como para los sistemas de osmosis inversa. Por ejemplo, los sistemas de evaporación súbita multietapa se utilizan habitualmente en los países árabes debido a las difíciles condiciones de operación en el Golfo Pérsico, así como las altas temperaturas y altas concentraciones de sal. No obstante, el precio de los sistemas térmicos y el consumo de energía son más alto que el de los de osmosis inversa, aunque los últimos desarrollos con intercambiadores de calor plásticos podrían modificar esta tendencia, por ser más económicos.

La tecnología de destilación por membranas es comercializada por pocas empresas en el mundo, entre las que se encuentra Solar Springs, spin-off de Fraunhofer ISE (Instituto de Sistemas de Energía Solar ubicado en Alemania).

Su ventaja sobre otros sistemas térmicos es que las membranas pueden fabricarse completamente de polímeros, lo que hace que su producción sea rentable y se eviten los problemas de corrosión. En comparación con los sistemas de filtración impulsados por presión como la osmosis inversa, la ventaja es que la destilación por membranas funciona con menos presión (presión ambiental) y, en particular, el riesgo de incrustaciones – y ensuciamiento es menor.

El proceso de la destilación por membranas se debe a un cambio de fase, siendo impulsado térmicamente por un gradiente de presión de vapor parcial, producto de la diferencia de temperaturas. El elemento principal de la destilación por membranas es una membrana hidrofóbica, que presenta una barrera a fases líquidas, pero no al vapor. El calor separa el vapor de agua desde la salmuera, el que penetra la membrana hidrofóbica y posteriormente se condensa como agua [5].

Una de las ventajas de la tecnología destilación por membranas es que para funcionar no requiere de grandes cantidades de electricidad, sino que ocupa energía de baja temperatura para impulsar la desalación. Por tanto, se pueden utilizar fuentes de energía como energía de desecho, solar o geotérmico, lo que Fraunhofer Chile está intentando impulsar en Chile.

En un proyecto conjunto con Crystal Lagoons se utilizará calor residual de sistemas de aire acondicionado para desalinizar agua de mar con una planta de destilación por membranas. En otro proyecto, llamado Brine Mine, se utilizará la destilación por membranas para fluidos geotérmicos con una temperatura de 90 °C para producir agua y salmueras altamente concentradas, cuyos componentes se extraerán en una etapa adicional.

Los sistemas de desalinización solar ya han llegado a Chile. La desaladora más grande de Latinoamérica se encontrará en Copiapó. Basada en osmosis inversa con fotovoltaica fue aprobada por el Servicio de Evaluación Ambiental a finales de 2018. La planta proyecta una producción promedio de 1000 litros por segundo de agua desalada con el fin de suministrar a la gran minería. Para abastecerse de energía se contempla una planta fotovoltaica de 100 MW, utilizando más de 200 hectáreas. La inversión total es de US$ 490 millones y comenzará a construirse en 2019 [6].

Además, la desalación se puede combinar con plantas de Concentración Solar de Potencia produciendo electricidad y agua desalada mediante sistemas de co-generación. En estos, un sistema de desalación térmica se acopla a la salida de la turbina del ciclo de potencia de la planta Concentración Solar de Potencia. El diseño concreto de estos sistemas dependerá de la localización.

Otra tendencia que se ha observado en el último tiempo es el uso de tecnologías de desalación no solo a partir de agua de mar, sino también para el tratamiento de desechos en procesos industriales. De esta manera se puede obtener agua limpia, agregando valor a los residuos, lo que se enmarca en el concepto de economía circular. Como ejemplo se puede mencionar el proyecto ReWaCEM, financiado por la Unión Europea y coordinado por Fraunhofer ISE, en el cual se utiliza la MD para cerrar círculos en la industria metalúrgica, reduciendo la huella de agua en un 30 – 90 % [7].

En conclusión, la minería se encuentra ante un gran reto en el que la escasez de agua va a ser un factor absolutamente limitante  y donde la desalación puede jugar un papel muy importante, pero sin olvidar la necesidad de energía para la obtención de esta agua. Por tanto, para que la desalación confirme ser una alternativa viable, es fundamental contar con procesos innovadores, robustos y eficientes, mejorar la eficiencia energética e incorporar las energías renovables.

En el caso de Chile, las condiciones de radiación permiten apostar por la conexión entre la desalación y la energía solar, y tecnología disponible en el mercado, como la fotovoltaica con osmosis inversa, y las últimas innovaciones, como la destilación por membranas, podrían jugar un papel fundamental en la solución a este desafío.

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1. Abdenacer, P.K. and S. Nafila, Impact of temperature difference (water-solar collector) on solar-still global efficiency. Desalination, 2007. 209(1-3): p. 298-305.
2. Ali, M.T., H.E. Fath, and P.R. Armstrong, A comprehensive techno-economical review of indirect solar desalination. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011. 15(8): p. 4187-4199.
3. Jones, E., et al., The state of desalination and brine production: A global outlook. Science of the Total Environment, 2018.
4. Arafat, H.A., Desalination sustainability : a technical, socioeconomic, and environmental approach. 2017.
5. Koschikowski, J., Entwicklung von energieautark arbeitenden Wasserentsalzungsanlagen auf Basis der Membrandestillation. 2011: Fraunhofer Verlag Freiburg, Germany.
6. Página web: http://www.revistaei.cl/2018/10/09/desaladora-mas-grande-latinoamerica-iniciaria-construccion-2019-copiapo/#.
7. Página web: www.rewacem.eu