¿Qué hacemos con la sal? El futuro de la desalinización
Aunque es fundamental en muchos de los sistemas hídricos del mundo, la desalinización nunca ha alcanzado su máximo potencial. La combinación de los altos costes, la ineficiencia de los procesos y las preocupaciones ambientales ha limitado su crecimiento y suscitado controversias. Sin embargo, esto puede estar a punto de cambiar. El aumento de la inversión y unos avances tecnológicos pioneros podrían lograr por fin que la desalinización se establezca como un arma clave en la lucha global contra la escasez de agua.
Por Fady Jameel, presidente adjunto y vicepresidente, Abdul Latif Jameel
La triste realidad de la escasez de agua
La escasez de agua es una crisis humanitaria, económica y ecológica. La Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) reconoce la escasez de agua como el desafío más urgente para el desarrollo sostenible de nuestra sociedad.[1] Según un informe reciente de UNICEF y la Organización Mundial de la Salud (OMS), una de cada tres personas en el mundo carece de acceso a agua potable.[2]
El World Resources Institute revela que diecisiete países, que son el hogar de una cuarta parte de la población mundial, se enfrentan a niveles de estrés hídrico “extremadamente altos”.[3] Doce de estos países se encuentran en Oriente Medio y el norte de África, donde el clima árido se ve agravado por el creciente uso de agua para fines agrícolas, industriales y domésticos.[4]
La escasez de agua es un problema de magnitud global. El crecimiento rápido y masivo de la demanda pone a Estados Unidos, China e India en la zona de peligro. En 2018, a Ciudad del Cabo estuvo a solo 90 días de tener que cerrar los grifos.[5] Incluso las regiones con una relativa abundancia de agua pueden contribuir al problema.
Un estudio realizado como parte del proyecto IMPREX [6] (IMproving PRedictions and management of hydrological EXtremes) de la UE concluyó que el 38 % del consumo efectivo de agua de la UE ocurre fuera de sus fronteras y se atribuye a la producción de bienes y servicios, a menudo en regiones afectadas directamente por la escasez de agua.[7]
El suministro de agua dulce ha disminuido constantemente, mientras que la demanda no ha dejado de crecer. En el siglo XX la población mundial se cuadruplicó, pero el uso del agua se multiplicó por seis.[8]
Para 2050, en muchas de las cuencas hídricas del mundo el suministro podría disminuir hasta en un 25 %.[9] En los próximos 30 años, los expertos del Banco Mundial creen que la escasez de agua podría costarles a algunas regiones hasta el 6 % del PIB, además de provocar migraciones masivas y conflictos.[10] En contraste, los riesgos podrían neutralizarse con mejores decisiones políticas. Hay algunas regiones que prevén mejorar sus tasas de crecimiento hasta en un 6 % gracias a una gestión más acertada de los recursos hídricos.
La escasez de agua afecta a varios de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) establecidos por la Organización de las Naciones Unidas (ONU), incluidos agua limpia y saneamiento (ODS 6), acción por el clima (ODS 13), energía asequible y no contaminante (ODS 7) y hambre cero (ODS 2).[11] El cambio climático, en particular, es un motivo de preocupación importante.
La FAO estima que, “por cada grado de calentamiento global, el 7 % de la población mundial experimentará una disminución del 20 % o más en los recursos hídricos renovables”.[12]
La respuesta es obvia: necesitamos más agua. Afortunadamente, estamos rodeados de ella.
El agua está por todas partes
Sin embargo, hay un pequeño problema. Alrededor del 71 % del planeta está cubierto de agua, pero solo el 1 % es apta para el consumo humano. Un 2 % está congelado y el 97 % restante se encuentra en los océanos, lagos, aguas subterráneas, etc. (junto con grandes cantidades de sodio, varios otros minerales, contaminantes y toda la vida marina).
Convertir el agua del océano en agua apta para el uso humano, especialmente para el consumo directo, no es un proceso tan fácil como podría pensarse. Esto se debe más que nada a la gran cantidad de sal e impurezas del agua de mar.
La desalinización es el proceso de extraer la sal del agua de mar para crear agua dulce, que puede tratarse de agua ultrapura para beber o de agua potable para la industria y la agricultura.
La desalinización térmica y la desalinización por membrana son los dos métodos más populares.
La desalinización térmica utiliza calor para evaporar el agua y separarla de la sal. En la desalinización por membrana la ósmosis inversa (OI) aprovecha el proceso natural de la ósmosis, transfiriendo agua a través de membranas semipermeables para eliminar la sal y otras impurezas. Muchas plantas de desalinización también pretratan el agua para mejorar la eficiencia.
Hay más de 17 000 plantas de desalinización distribuidas en 174 países, que producen cada día 107 millones de metros cúbicos de agua desalinizada.[13] Muchos países no podrían funcionar sin ellas. Oriente Medio concentra casi la mitad de la capacidad total, mientras que Asia, China, Estados Unidos y América del Sur están aumentando rápidamente su capacidad de desalinización.
Arabia Saudí está ampliando su ya importante infraestructura de desalinización. A nivel personal, me enorgullece decir que Abdul Latif Jameel está empezando a jugar un papel cada vez más importante en esto gracias a Almar Water Solutions.
Almar Water Solutions es un proveedor especializado de capacidades técnicas para el desarrollo de infraestructuras hidráulicas, incluido el diseño, la financiación y el desarrollo de las mismas. Ha demostrado ser un complemento ideal Fotowatio Renewable Ventures (FRV), la empresa insignia de energía renovable parte de Abdul Latif Jameel Energy.
En enero de 2019, Almar Water Solutions se adjudicó el contrato en Arabia Saudí para desarrollar Al Shuqaiq 3 IWP, una de las plantas desalinizadoras de ósmosis inversa más grandes del mundo.
Situada cerca de la ciudad de Al Shuqaiq, en el Mar Rojo, una inversión de 600 millones de dólares estadounidenses financiará el desarrollo de una planta del tamaño de 34 campos de fútbol. Cuando se finalice su construcción en 2021, suministrará 450 000 m3 de agua limpia cada día en un plan BOO de 25 años con el SWPC. Más de 1,8 millones de personas recibirán agua fresca del lugar, y se crearán 700 empleos.
La noticia de nuestra participación llegó menos de ocho semanas después de que se nos adjudicara el contrato para producir la primera planta de desalinización a gran escala de Kenia. Una vez operativa, la planta suministrará 100 000 m3 de agua potable a más de un millón de personas en Mombasa, en la costa de Kenia, donde una severa crisis hídrica lleva provocando interrupciones en el suministro desde hace varios años.
La desalinización no son todo ventajas
Como la materia prima es ilimitada, la desalinización tiene el potencial de ser un proceso clave para reducir la escasez, brindar seguridad y aumentar la prosperidad de algunas de las naciones más pobres del mundo. Desafortunadamente, también puede resultar cara y requerir mucha energía.
De media, una planta de ósmosis inversa consume hasta 13 kilovatios hora por cada 4 metros cúbicos procesados.[14] Hoy en día, la mayor parte de esa energía proviene de combustibles fósiles. Para 2020, las emisiones globales de CO2 de las plantas de desalinización que funcionan con carbón podrían alcanzar los 218 millones de toneladas.[15]Obviamente, emitir más dióxido de carbono para resolver un problema causado en gran parte por el cambio climático es claramente insostenible y contraproducente.
Irónicamente, la desalinización suele ser menos viable en términos económicos en aquellas áreas que más se necesita. Además de los significativos costes energéticos, el agua es pesada y transportarla es caro en relación con su valor. Esto significa que las plantas de desalinización suelen ubicarse en la costa y cerca del punto de uso, abasteciendo una demanda industrial, comercial o doméstica relativamente próspera[16] y dejando en la estacada a las zonas más desfavorecidas del interior.
De acuerdo con el Instituto Universitario de las Naciones Unidas para el Agua, el Medio Ambiente y la Salud, para implementar sistemas de desalinización asequibles y respetuosos con el medio ambiente en países de renta baja y media se necesitan innovaciones tecnológicas, así como mecanismos financieros novedosos capaces de respaldar la sostenibilidad de dichos proyectos.[17]
Preocupaciones ambientales
También hay preocupaciones en torno al principal subproducto de la desalinización: las aguas residuales altamente concentradas en sal, llamadas salmuera. Algunos críticos afirman que la salmuera agota los niveles de oxígeno en el agua de mar y puede ser dañina para la vida marina, por lo que debería difundirse en grandes áreas para minimizar su impacto. Un informe reciente de la Universidad de la ONU descubrió que las plantas de desalinización liberan un 50 % más de salmuera de lo que se pensaba anteriormente, una cantidad suficiente como para sumergir Florida 30 cm bajo el agua cada año.[18]
Sin embargo, la Asociación Internacional de Desalinización (IDA) minimiza estas preocupaciones: “La experiencia a largo plazo en todo el mundo indica que los vertidos de las plantas de desalinización de agua del mar son seguros para el medio ambiente y no provocan cambios en la flora y fauna acuáticas”.[19]
Muchos expertos coinciden en que la salmuera no es tóxica. Son simplemente las mismas sales que se encontraban originalmente en el mar y que se devuelven al mar después de la filtración por membrana. En cuanto a la necesidad de difundir la salmuera en un área grande para diluirla, señalan que toda el agua que sale de las plantas de desalinización, tanto el agua desalada como la salmuera, regresa al mar como parte el ciclo normal del agua, así que el nivel de dilución se equilibra de manera natural. Además, el agua de lluvia aumenta aún más esta dilución, lo que garantiza que la concentración de sal en los océanos se mantenga en niveles normales.
Sedientos de innovación
Pese a los desafíos, creo firmemente que hay muchas razones para ser positivo. Los recientes avances en tecnología e I+D sugieren que están a punto de hacerse grandes avances en la desalinización que podrían transformar los sistemas hídricos mundiales.
La innovación continua desde la década de 1970 ya ha logrado que el consumo de energía de la ósmosis inversa sea 10 veces menos, y se espera que los costes disminuyan hasta en dos tercios durante las próximas dos décadas.[20] Las exhaustivas investigaciones sobre pretratamiento, nanotecnología para el filtrado y métodos electroquímicos prometen lograr que la desalinización sea más eficiente. Muchas de ellas se centra en mejorar la eficiencia de las membranas utilizadas en la ósmosis inversa y otros procesos de desalinización por membranas.
Se ha demostrado que las membranas nanoestructuradas aumentan la productividad en un 20 %. En una década, el uso de nanotubos de carbono densamente comprimidos en membranas de ósmosis inversa podría reducir los costes de la desalinización y equipararlos a los de las tecnologías convencionales de tratamiento de agua.[21]
Recientemente, científicos de la Universidad de Manchester han desarrollado un tamiz de grafeno que convierte el agua de mar en agua potable. Si se puede ampliar, tendría un potencial significativo.[22] En la revista revisada por pares Nature Nanotechnology, el profesor Rahul Reveendran Nair, de la Universidad de Manchester, declaró: “La creación de membranas ampliables con poros de un tamaño uniforme de escala atómica es un avance significativo y abrirá nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia de la tecnología de desalinización.”[23]
Otra empresa británica, G20, está utilizando óxido de grafeno para mejorar la eficacia de los filtros de membrana con base polimérica existentes.[24]
Aprendiendo de la naturaleza
La naturaleza también nos ofrece muchas lecciones de química.
Algunas de las investigaciones más apasionantes tratan de emular las ingeniosas soluciones de transporte de agua resultantes de la evolución. Las membranas biomiméticas con estructuras de acuaporinas modeladas a partir de microorganismos aún están en las primeras etapas de investigación, pero podrían proporcionar un gran avance para la desalinización de baja energía.[25]
La ósmosis directa, el proceso mediante el cual las plantas absorben agua del suelo, ya se utiliza en el tratamiento de aguas residuales industriales y también podría ser factible para la desalinización. A diferencia de la ósmosis inversa, que utiliza presión, la ósmosis directa es un proceso de baja energía. Las “sales intercambiables” extraen agua pura del agua de mar y la depositan al otro lado de una membrana. Al forzar aire caliente a través del aditivo salobre, este se convierte en gas, que puede recolectarse y reutilizarse en un circuito de alta eficiencia energética.[26]
Los investigadores están devolviéndoles el favor a las plantas. La escasez de agua significa que la agricultura depende cada vez más de la desalinización. Sin embargo, la tecnología principal, la ósmosis inversa, desperdicia mucha agua y elimina nutrientes útiles que tienen que volver a añadirse a través de fertilizantes. No obstante, la investigación de vanguardia también está desarrollando posibles soluciones.
“La electrodiálisis inteligente selectiva (ISED) elimina selectivamente del agua los iones que no les gustan a las plantas, iones monovalentes (de una sola carga) como el sodio y el cloruro, al mismo tiempo que conserva nutrientes útiles, como el calcio y el magnesio”, dice Kishor Govind Nayar, estudiante de doctorado en el Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos de Abdul Latif Jameel (J-WAFS) en el ITM. “Creemos que esta solución podría reducir el consumo de agua hasta un 25 % y el uso de fertilizantes hasta un 30 % en comparación con la ósmosis inversa”, añade Kishor.
Uno de los principales problemas de la ósmosis inversa es que la membrana se ensucia con sales y material biológicamente activo (bioincrustación).[27] El pretratamiento químico del agua entrante es costoso, requiere mucho tiempo y solo es parcialmente efectivo. Cada vez es mayor el interés por la desalinización verde, que reduce los productos químicos utilizados en la desalinización mediante el diseño y la operación de un pretratamiento avanzado. El Profesor Xuanhe Zhao, otro investigador del J-WAFS, y su equipo están desarrollando una tecnología de limpieza de membranas basada en vibraciones que podría mejorar la eficiencia y la vida útil de la membrana y reducir los costes de la ósmosis inversa.
Todas estas tecnologías destinadas a incrementar la eficiencia facilitarán el aumento de la producción.
Asimismo, también hay una serie de innovaciones que se centran en lograr que el proceso de desalinización en sí sea “más limpio”.
Los sistemas de “descarga de líquido cero”[28] (ZLD) reducen la generación de salmuera, por ejemplo, tratando las aguas residuales mediante el reciclaje y luego recuperándolas y reutilizándolas para fines industriales.
Aunque actualmente es un proceso costoso, la ZLD allana el camino para los beneficios económicos, ya que recupera sales y otros minerales potencialmente útiles de la descarga.
El mar esconde las mayores reservas de litio del mundo, así como grandes concentraciones de otros minerales valiosos, como calcio, sodio, magnesio y potasio. La esperanza es que, en el futuro, se disponga de tecnologías para aislar estos minerales y producir agua desalada como un subproducto para uso industrial, doméstico y agrícola, ayudando así a solucionar el problema de la escasez.
Un informe reciente de la Universidad de las Naciones Unidas abogó por aumentar las inversiones destinadas a desarrollar métodos rentables para extraer estas sustancias, que son vitales para numerosas industrias.[29]
En Arabia Saudí, el Instituto de Investigación en Tecnología de Desalinización de Saline Water Conversion Corporation (SWCC), uno de los principales usuarios de tecnologías de desalinización, patentó recientemente un dispositivo de concentración de salmuera dual que genera dos corrientes de alto contenido mineral a partir del agua del mar.[30] El calcio de la salmuera también podría usarse para el postratamiento del agua desalada, reduciendo así la dependencia de los compuestos suministrados comercialmente.[31]
En el futuro brilla el sol
Aunque estas tecnologías emergentes son alentadoras, el futuro del agua potable depende de que tomemos medidas ahora.
Para ser verdaderamente sostenible y rentable, la tecnología hídrica necesita mayores inversiones en prácticas que impulsen la eficiencia y, sobre todo, en energía sostenible.
La Global Clean Water Desalination Alliance, fundada por la International Desalination Association (IDA), se ha fijado el objetivo de que el 20 % de las nuevas plantas de desalinización funcionen con energías renovables entre 2020 y 2025.[32] Esta alianza reúne actores clave de las industrias de energía y desalinización, empresas de agua, gobiernos, instituciones financieras y académicas e I+D “con el objetivo de reducir las emisiones de CO2 de las plantas de desalinización existentes y ampliar el uso de tecnologías de desalinización limpias mediante acciones coordinadas.”[33]
Los gobiernos con visión de futuro ya se están movilizando. Arabia Saudí ha adelantado su objetivo de generar 9,5 GW de energía renovable, incluido en su programa Vision 2030, hasta 2023. En Australia Occidental, todas las nuevas plantas de desalinización ya están obligadas a utilizar energía renovable. Perth Seawater Desalination Plant (SWRO), la primera planta de desalinización del mar en Australia, funciona con la electricidad generada por un parque eólico.
Diseño para la eficiencia energética
Hay tres formas principales de aumentar la eficiencia de una planta: coubicación, cogeneración y tecnología híbrida.
Las plantas coubicadas utilizan agua refrigerante de una central eléctrica cercana como alimentación. Como esta agua ya se ha calentado, el proceso utiliza menos energía. Posteriormente, el agua subproducto se añade al flujo de salida de agua refrigerante de la planta de energía, que la diluye antes de devolverla al océano. Por ejemplo, la planta de desalinización de agua del mar mediante OI de Tampa Bay en Florida utiliza hasta 1,7 millones de metros cúbicos de agua de mar tibia del sistema de refrigeración de la central eléctrica Big Bend de Tampa Electric (TECO).[34]
Las plantas de cogeneración utilizan el vapor residual de una planta energética como fuente de energía adicional para reducir el uso de combustibles fósiles.
Las plantas híbridas combinan diferentes métodos de tratamiento para optimizar el rendimiento de la planta, por ejemplo, ósmosis inversa para agua salobre e intercambio iónico[35] para agua con un alto contenido orgánico, tal y como ocurre en la planta de desalinización de Cape Hatteras, en Carolina del Norte.[36]
Un diseño eficiente es esencial, pero la verdadera oportunidad radica en reemplazar los combustibles fósiles por fuentes de energía renovables. La energía hidroeléctrica, geotérmica y nuclear son tecnologías maduras que pueden proporcionar los altos niveles de energía constante que requiere la desalinización. Hasta hace poco, la energía solar y eólica se consideraban demasiado cara para ser viables a la hora de alimentar las plantas de desalinización, pero ahora eso está cambiando rápidamente.
Aprovechar el potencial de la energía solar es especialmente importante porque, como es lógico, muchos de los países con menos agua son también los que tienen más sol.
Afortunadamente, los avances tecnológicos están haciendo realidad el planteamiento de la energía solar.
Un sistema de desalinización pasivo con energía solar desarrollado en China por investigadores del J-WAFS podría producir más de 5 litros de agua potable por hora a partir de un metro cuadrado de paneles solares. Este sistema de alta eficiencia utiliza el calor que se libera en cada etapa para alimentar la siguiente. De acuerdo con el ITM, “potencialmente, este tipo de sistemas podría utilizarse para proporcionar una fuente de agua eficiente y de bajo coste en zonas costeras áridas situadas fuera de la red”.[37]
Muchos desarrollos de energía renovable están respaldados por organizaciones que apoyan a las comunidades que no pueden pagarlos. GivePower, una organización sin ánimo de lucro, suministra sistemas de desalinización alimentados por energía solar a batería a comunidades empobrecidas de todo el mundo.[38] Una de esas plantas de desalinización en Kenia lleva dos años proporcionando hasta 75 000 litros de agua potable por día, suficiente para abastecer a unas 25 000 personas.[39]
La energía renovable es especialmente ventajosa para los países de renta baja y media. Si la desalinización funcionase con energía solar sería neutra en carbono y, al tiempo, dejaría más petróleo disponible para la exportación, lo que impulsaría la economía. Esto también permitiría que las plantas de desalinización estuviesen más cerca de los pueblos y las ciudades, en lugar de en torno a las centrales eléctricas, lo que reduciría los costes de distribución y el riesgo de desperdicio.
Agua para todos
La desalinización ya es vital en este momento, y lo será aún más con el aumento de la presión sobre los suministros de agua. La estabilidad política, el crecimiento económico y la supervivencia de millones dependen de ella.
Aunque enfrentarse al desafío de la escasez de agua requerirá esfuerzos coordinados, que incluyen reducir el consumo e incrementar la eficiencia del reciclaje de aguas residuales, la desalinización seguirá siendo una herramienta fundamental para asegurar el futuro de nuestro planeta.
La crisis del agua es responsabilidad de todos y existen muchas razones para creer que podemos resolver este desafío juntos.
La responsabilidad política y personal están al frente de la agenda. Las inversiones e innovaciones en energía renovable son clave para proporcionar una desalinización fiable a quienes más la necesitan y, al mismo tiempo, reducir nuestra dependencia en los combustibles fósiles y mitigar el impacto del cambio climático. La tecnología emergente presagia avances en la productividad, la eficiencia y la gestión de residuos que contribuirán a garantizar un futuro sostenible para todos.
[1] http://www.fao.org/about/en/
[2] https://www.who.int/news-room/detail/18-06-2019-1-in-3-people-globally-do-not-have-access-to-safe-drinking-water-unicef-who
[3] https://www.wri.org/news/2019/07/release-updated-global-water-risk-atlas-reveals-top-water-stressed-countries-and-states
[4] https://www.wri.org/blog/2019/08/17-countries-home-one-quarter-world-population-face-extremely-high-water-stress
[5] https://www.weforum.org/agenda/2019/08/cape-town-was-90-days-away-from-running-out-of-water-heres-how-it-averted-the-crisis/
[7] Dependencies of Europe’s economy on other parts of the world in terms of water resources
[8] https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/water-a-human-and-business-priority
[9] https://www.mckinsey.com/business-functions/sustainability/our-insights/climate-risk-and-response-physical-hazards-and-socioeconomic-impacts
[10] https://www.worldbank.org/en/topic/water/publication/high-and-dry-climate-change-water-and-the-economy
[12] http://www.fao.org/zhc/detail-events/en/c/880881/
[13] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf
[14] https://www.nationalgeographic.com/environment/2019/01/desalination-plants-produce-twice-as-much-waste-brine-as-thought/
[15] Desalinización energéticamente eficiente, Cumbre Mundial del Agua, 15-18 de enero de 2018
[16] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf
[17] https://www.unenvironment.org/news-and-stories/story/towards-sustainable-desalination
[18] https://unu.edu/media-relations/releases/un-warns-of-rising-levels-of-toxic-brine.html
[19] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/10/EEC-White-Paper-10-13.pdf
[20] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf
[21] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/04/World-Bank-Report-2019.pdf
[22] https://www.manchester.ac.uk/discover/news/graphene-sieve-turns-seawater-into-drinking-water/
[23] https://www.nature.com/articles/nmat5025
[24] https://www.theguardian.com/world/2019/apr/10/desalination-world-clean-water-crisis
[25] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6161077/
[26] https://www.herox.com/blog/162-the-challenge-of-desalination
[27] Tratar un objetivo en movimiento: floraciones de algas nocivas
[28] https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/zero-liquid-discharge
[29] https://unu.edu/media-relations/releases/un-warns-of-rising-levels-of-toxic-brine.html
[30] https://saudigazette.com.sa/article/571985
[31] https://idadesal.org/wp-content/uploads/2019/10/EEC-White-Paper-10-13.pdf
[33] http://climateinitiativesplatform.org/index.php/Global_Clean_Water_Desalination_Alliance_(GCWDA)
[34] https://www.waterworld.com/home/article/14071194/desalination-opportunities-and-challenges
[35] #:~:text=Ion%20exchange%20is%20the%20most,combined%20with%20selective%20ion%20exchange.
[36] https://www.waterworld.com/home/article/14071194/desalination-opportunities-and-challenges
[37] http://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desalination-0207
[38] https://givepower.org/projects-2/
[39] https://bigthink.com/technology-innovation/solar-power-desalination
Añadido a dosier de prensa
