La desalinización solar es una técnica de desalinización que utiliza energía solar . Los dos métodos más comunes son el directo (térmico) y el indirecto (fotovoltaico). [1]
La destilación solar se ha utilizado durante miles de años. Los primeros marineros griegos y los alquimistas persas producían destilados tanto de agua dulce como medicinales. Los alambiques solares fueron el primer método utilizado a gran escala para convertir el agua contaminada en potable. [2]
En 1870 se concedió la primera patente estadounidense para un dispositivo de destilación solar a Norman Wheeler y Walton Evans. [3] Dos años después, en Las Salinas, Chile, el ingeniero sueco Charles Wilson comenzó a construir una planta de destilación solar para suministrar agua dulce a los trabajadores de una mina de salitre y plata . Funcionó de forma continua durante 40 años y destiló un promedio de 22,7 m 3 de agua al día utilizando el efluente de las operaciones mineras como agua de alimentación. [4]
La desalinización solar en los Estados Unidos comenzó a principios de la década de 1950 cuando el Congreso aprobó la Ley de Conversión de Agua Salina, que condujo al establecimiento de la Oficina de Agua Salina (OSW) en 1955. La función principal de la OSW era administrar fondos para proyectos de investigación y desarrollo de desalinización. [5] Una de las cinco plantas de demostración estaba ubicada en Daytona Beach, Florida . Muchos de los proyectos tenían como objetivo resolver problemas de escasez de agua en comunidades remotas del desierto y la costa. [4] En las décadas de 1960 y 1970 se construyeron varias plantas de destilación en las islas griegas con capacidades que iban desde 2000 a 8500 m 3 /día. [2] En 1984 se construyó una planta en Abu Dabi con una capacidad de 120 m 3 /día que todavía está en funcionamiento. [4] En Italia , un diseño de código abierto llamado "Eliodomestico" de Gabriele Diamanti fue desarrollado para uso personal con un costo de $ 50. [6]
De los aproximadamente 22 millones de m3 de agua dulce que se producen diariamente mediante desalinización en todo el mundo, menos del 1% utiliza energía solar. [2] Los métodos de desalinización predominantes, MSF y RO, consumen mucha energía y dependen en gran medida de combustibles fósiles. [8] Debido a los métodos económicos de suministro de agua dulce y a la abundancia de recursos energéticos de bajo costo, la destilación solar se ha considerado prohibitiva y poco práctica. [2] Se estima que las plantas de desalinización alimentadas por combustibles convencionales consumen el equivalente a 203 millones de toneladas de combustible al año. [2]
La desalinización solar es una técnica que aprovecha la energía solar para convertir el agua salada en agua dulce, lo que la hace adecuada para el consumo humano y el riego. El proceso se puede clasificar en función del tipo de fuente de energía solar utilizada. En la desalinización solar directa, el agua salada absorbe la energía solar y se evapora, dejando atrás la sal y otras impurezas. Un ejemplo de esto son los destiladores solares, donde un entorno cerrado permite la recolección y condensación de vapor de agua puro. Por otro lado, la desalinización solar indirecta implica el uso de colectores solares que capturan y transfieren energía solar al agua salina. Esta energía luego se utiliza para impulsar procesos de desalinización como la humidificación-deshumidificación (HDH) y los métodos impulsados por difusión.
En el método directo (destilación), un colector solar se acopla a un mecanismo de destilación. [9] Los alambiques solares de este tipo se describen en guías de supervivencia, se proporcionan en kits de supervivencia marina y se emplean en muchas plantas pequeñas de desalinización y destilación.
La producción de agua es proporcional al área de la superficie solar y al ángulo de incidencia solar y tiene un valor estimado promedio de 3 a 4 litros por metro cuadrado (0,074 a 0,098 galones estadounidenses/pie cuadrado). [2] Debido a esta proporcionalidad y al costo relativamente alto de la propiedad y del material para la construcción, la destilación tiende a favorecer a las plantas con capacidades de producción inferiores a 200 m 3 /d (53 000 galones estadounidenses/d). [2]
Este proceso se basa en el mismo proceso que el de la lluvia: una cubierta transparente encierra una cubeta donde se coloca agua salada. Esta última atrapa la energía solar y evapora el agua de mar. El vapor se condensa en la cara interna de una cubierta transparente inclinada, dejando atrás sales, componentes inorgánicos y orgánicos y microbios.
El método directo alcanza valores de 4-5 L/m2 / día y una eficiencia del 30-40%. [10] La eficiencia se puede mejorar hasta el 45% utilizando una doble pendiente o un condensador adicional. [11]
En un alambique de mecha, el agua de alimentación fluye lentamente a través de una almohadilla porosa que absorbe la radiación. Esto requiere menos agua para calentar y es más fácil cambiar el ángulo hacia el sol, lo que ahorra tiempo y permite alcanzar temperaturas más altas. [12]
Un alambique de difusión está compuesto por un tanque de almacenamiento de calor acoplado a un colector solar y a la unidad de destilación. El calentamiento se produce por la difusión térmica entre ellos. [13]
Aumentar la temperatura interna utilizando una fuente de energía externa puede mejorar la productividad. [ cita requerida ]
Los métodos directos utilizan energía térmica para vaporizar el agua de mar como parte de una separación de dos fases. Estos métodos son relativamente simples y requieren poco espacio, por lo que normalmente se utilizan en sistemas pequeños. Sin embargo, tienen una baja tasa de producción debido a la baja temperatura y presión de operación, por lo que son apropiados para sistemas que rinden 200 m 3 /día. [14]
La desalinización indirecta utiliza un sistema de captación solar, que consta de colectores térmicos fotovoltaicos y/o basados en fluidos, y una planta de desalinización convencional independiente. [9] Se han analizado, probado experimentalmente y desplegado muchos sistemas. Las categorías incluyen humidificación de efecto múltiple (MEH), destilación flash de múltiples etapas (MSF), destilación de efecto múltiple (MED), ebullición de efecto múltiple (MEB), humidificación-deshumidificación (HDH), ósmosis inversa (RO) y destilación por efecto de congelación. [8]
Las grandes plantas de desalinización solar suelen utilizar métodos indirectos. [ cita requerida ] Los procesos de desalinización solar indirecta se clasifican en procesos monofásicos (basados en membranas) y procesos de cambio de fase (no basados en membranas). [15] La desalinización monofásica utiliza energía fotovoltaica para producir electricidad que impulsa bombas. [16] La desalinización solar de cambio de fase (o multifásica) no se basa en membranas. [17]
Los sistemas de desalinización solar indirecta que utilizan paneles fotovoltaicos (PV) y ósmosis inversa (OI) se han utilizado desde 2009. En 2013, la producción alcanzó los 1.600 litros (420 galones estadounidenses) por hora por sistema y los 200 litros (53 galones estadounidenses) por día por metro cuadrado de panel fotovoltaico. [18] [19] El atolón Utirik en el océano Pacífico se ha abastecido de agua dulce de esta manera desde 2010. [20]
Los procesos de desalinización monofásica incluyen la ósmosis inversa y la destilación por membrana , donde las membranas filtran el agua de los contaminantes. [15] [17] A partir de 2014, la ósmosis inversa (OI) constituía aproximadamente el 52% de los métodos indirectos. [21] [22] Las bombas empujan el agua salada a través de los módulos de OI a alta presión. [15] [21] Los sistemas de OI dependen de las diferencias de presión. Se requiere una presión de 55 a 65 bares para purificar el agua de mar. Normalmente se requiere un promedio de 5 kWh/m3 de energía para hacer funcionar una planta de OI a gran escala. [21] La destilación por membrana (MD) utiliza la diferencia de presión de dos lados de una membrana hidrófoba microporosa. [21] [23] El agua dulce se puede extraer a través de cuatro métodos de OI: contacto directo (DCMD), espacio de aire (AGMD), gas de barrido (SGMD) y vacío (VMD). [21] [23] Se estima que el costo del agua es de $15/m 3 y $18/m 3 para plantas solares-MD de escala media. [21] [24] El consumo de energía varía de 200 a 300 kWh/m 3 . [25]
La desalinización solar por cambio de fase (o multifase) [17] [22] [26] incluye la destilación flash multietapa , la destilación multiefecto (MED) y la compresión térmica de vapor (VC) . [17] Se logra utilizando materiales de cambio de fase (PCM) para maximizar el almacenamiento de calor latente y las altas temperaturas. [27] Las temperaturas de cambio de fase de MSF varían de 80 a 120 °C, 40 a 100 °C para VC y 50 a 90 °C para el método MED. [17] [26] La destilación flash multietapa (MSF) requiere que el agua de mar viaje a través de una serie de reactores al vacío mantenidos a presiones sucesivamente más bajas. [22] Se agrega calor para capturar el calor latente del vapor. A medida que el agua de mar fluye a través de los reactores, el vapor se recolecta y se condensa para producir agua dulce. [22] En la destilación multiefecto (MED) , el agua de mar fluye a través de recipientes de presión sucesivamente baja y reutiliza el calor latente para evaporar el agua de mar para la condensación. [22] La desalinización MED requiere menos energía que la MSF debido a una mayor eficiencia en las tasas de transferencia termodinámica. [22] [26]
El método de evaporación multietapa (MSF) es una tecnología ampliamente utilizada para la desalinización, en particular en plantas de desalinización de agua de mar a gran escala. Se basa en el principio de utilizar el proceso de evaporación y condensación para separar el agua salada del agua dulce. [28]
En el proceso de desalinización MSF, el agua de mar se calienta y se somete a una serie de vaporizaciones o despresurizaciones rápidas en varias etapas. Cada etapa consta de una serie de intercambiadores de calor y cámaras de vaporización. El proceso normalmente implica los siguientes pasos:
El método de flash multietapa (MSF), conocido por su alta eficiencia energética a través de la utilización del calor latente de vaporización durante el proceso de flash, representó aproximadamente el 45% de la capacidad de desalinización del mundo y un 93% dominante de los sistemas térmicos registrados en 2009. [2]
En Margherita di Savoia , Italia, una planta de MSF de 50–60 m 3 /día utiliza un estanque solar con gradiente de salinidad. En El Paso , Texas, un proyecto similar produce 19 m 3 /día. En Kuwait, una instalación de MSF utiliza colectores de canal parabólico para proporcionar energía solar térmica para producir 100 m 3 de agua dulce al día. [8] Y en el norte de China, una operación experimental, automática y no tripulada utiliza 80 m 2 de colectores solares de tubo de vacío acoplados a una turbina eólica de 1 kW (para impulsar varias bombas pequeñas) para producir 0,8 m 3 /día. [29]
La destilación solar MSF tiene una capacidad de producción de 6 a 60 L/m2 / día, frente a los 3 a 4 L/m2 / día de producción estándar de un alambique solar. [8] Los MSF presentan una eficiencia deficiente durante el arranque o los períodos de baja energía. Para lograr la máxima eficiencia se requieren caídas de presión controladas en cada etapa y un aporte de energía constante. Como resultado, las aplicaciones solares requieren alguna forma de almacenamiento de energía térmica para lidiar con la interferencia de las nubes, los patrones solares variables, el funcionamiento nocturno y los cambios de temperatura estacionales. A medida que aumenta la capacidad de almacenamiento de energía térmica, se puede lograr un proceso más continuo y las tasas de producción se acercan a la eficiencia máxima. [30]
La desalinización solar indirecta mediante una forma de humidificación/deshumidificación se utiliza en el invernadero de agua de mar . [31]
Aunque sólo se ha utilizado en proyectos de demostración, este método indirecto basado en la cristalización del agua salina tiene la ventaja de que requiere poca energía. Dado que el calor latente de fusión del agua es de 6,01 kJ/mol y el calor latente de vaporización a 100 °C es de 40,66 kJ/mol, debería ser más barato en términos de coste energético. Además, el riesgo de corrosión también es menor. Sin embargo, existe una desventaja relacionada con las dificultades de mover mecánicamente mezclas de hielo y líquido. El proceso aún no se ha comercializado debido al coste y a las dificultades con los sistemas de refrigeración. [32]
La forma más estudiada de utilizar este proceso es la congelación por refrigeración. Se utiliza un ciclo de refrigeración para enfriar la corriente de agua y formar hielo, y después esos cristales se separan y se funden para obtener agua dulce. Hay algunos ejemplos recientes de este proceso alimentado con energía solar: la unidad construida en Arabia Saudita por Chicago Bridge and Iron Inc. a fines de la década de 1980, que fue clausurada por su ineficiencia. [33]
Sin embargo, existe un estudio reciente para aguas subterráneas salinas [34] que concluye que una planta capaz de producir 1 millón de galones/día produciría agua a un costo de $1.30/1000 galones. Siendo esto cierto, sería un dispositivo competitivo en costos con los de ósmosis inversa.
Los proyectos de desalinización solar térmica enfrentan problemas de diseño inherentes. En primer lugar, la eficiencia del sistema está determinada por las tasas de transferencia de calor y masa que compiten durante la evaporación y la condensación. [1]
En segundo lugar, el calor de condensación es valioso porque se necesitan grandes cantidades de energía solar para evaporar el agua y generar aire caliente saturado y cargado de vapor. Esta energía, por definición, se transfiere a la superficie del condensador durante la condensación. En la mayoría de los destiladores solares, este calor se emite como calor residual. [ cita requerida ]
La recuperación de calor permite reutilizar el mismo aporte de calor, proporcionando así varias veces más agua. [1]
Una solución es reducir la presión dentro del depósito. Esto se puede lograr utilizando una bomba de vacío y reduce significativamente la energía térmica requerida. Por ejemplo, el agua a una presión de 0,1 atmósferas hierve a 50 °C (122 °F) en lugar de 100 °C (212 °F). [35]
El proceso de humidificación-deshumidificación solar (HDH) (también llamado proceso de humidificación-deshumidificación de efecto múltiple, ciclo de evaporación por condensación solar de múltiples etapas (SMCEC) o humidificación de efecto múltiple (MEH) [36] imita el ciclo natural del agua en un período de tiempo más corto al destilar agua. La energía térmica produce vapor de agua que se condensa en una cámara separada. En sistemas sofisticados, el calor residual se minimiza recolectando el calor del vapor de agua que se condensa y precalentando la fuente de agua entrante. [37]
En la desalinización indirecta, o monofásica, alimentada por energía solar, se combinan dos sistemas: un sistema de recolección de energía solar (por ejemplo, paneles fotovoltaicos) y un sistema de desalinización como la ósmosis inversa (OI). Los principales procesos monofásicos, generalmente procesos de membrana, consisten en OI y electrodiálisis (ED). La desalinización monofásica se logra predominantemente con energía fotovoltaica que produce electricidad para impulsar bombas de OI. Más de 15.000 plantas de desalinización operan en todo el mundo. Casi el 70% utiliza OI, lo que produce el 44% de la desalinización. [38] Se están desarrollando métodos alternativos que utilizan la recolección térmica solar para proporcionar energía mecánica para impulsar la OI.
La ósmosis inversa es el proceso de desalinización más común debido a su eficiencia en comparación con los sistemas de desalinización térmica, a pesar de la necesidad de un pretratamiento del agua. [39] Las consideraciones económicas y de confiabilidad son los principales desafíos para mejorar los sistemas de desalinización por ósmosis inversa alimentados con energía fotovoltaica. Sin embargo, la caída en picada de los costos de los paneles fotovoltaicos hace que la desalinización con energía solar sea más factible. [ cita requerida ]
La desalinización por ósmosis inversa con energía solar es común en las plantas de demostración debido a la modularidad y escalabilidad de los sistemas fotovoltaicos y de ósmosis inversa. Un análisis económico [40] que exploró una estrategia de optimización [41] de la ósmosis inversa alimentada con energía fotovoltaica arrojó resultados favorables.
La energía fotovoltaica convierte la radiación solar en electricidad de corriente continua (CC), que alimenta la unidad de ósmosis inversa. La naturaleza intermitente de la luz solar y su intensidad variable a lo largo del día complica la predicción de la eficiencia de la energía fotovoltaica y limita la desalinización nocturna. Las baterías pueden almacenar energía solar para su uso posterior. De manera similar, los sistemas de almacenamiento de energía térmica garantizan un rendimiento constante después del atardecer y en días nublados. [42]
Las baterías permiten un funcionamiento continuo. Los estudios han indicado que el funcionamiento intermitente puede aumentar la bioincrustación . [43]
Las baterías siguen siendo caras y requieren un mantenimiento constante. Además, almacenar y recuperar energía de la batería reduce la eficiencia. [43]
El costo promedio informado de la desalinización por ósmosis inversa es de US$0,56/m3 . Si se utiliza energía renovable, ese costo podría aumentar hasta US$16/m3 . [ 38] Aunque los costos de la energía renovable son mayores, su uso está aumentando.
Tanto la electrodiálisis (ED) como la electrodiálisis inversa (RED) utilizan el transporte selectivo de iones a través de membranas de intercambio iónico (IEM) debido a la influencia de la diferencia de concentración (RED) o del potencial eléctrico (ED). [44]
En la electrodiálisis se aplica una fuerza eléctrica a los electrodos, los cationes viajan hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo. Las membranas de intercambio solo permiten el paso de su tipo permeable (catión o anión), por lo que con esta disposición se colocan soluciones salinas diluidas y concentradas en el espacio entre las membranas (canales). La configuración de esta pila puede ser horizontal o vertical. El agua de alimentación pasa en paralelo por todas las celdas, proporcionando un flujo continuo de permeado y salmuera. Aunque este es un proceso bien conocido, la electrodiálisis no es comercialmente adecuada para la desalinización de agua de mar, porque solo se puede utilizar para agua salobre (TDS < 1000 ppm). [38] Debido a la complejidad para modelar los fenómenos de transporte de iones en los canales, el rendimiento podría verse afectado, considerando el comportamiento no ideal que presentan las membranas de intercambio. [45]
El proceso básico de ED podría modificarse y convertirse en RED, en el que la polaridad de los electrodos cambia periódicamente, invirtiendo el flujo a través de las membranas. Esto limita la deposición de sustancias coloidales, lo que hace que este sea un proceso autolimpiante, eliminando casi por completo la necesidad de un pretratamiento químico, lo que lo hace económicamente atractivo para el agua salobre. [46]
El uso de los sistemas ED comenzó en 1954, mientras que los RED se desarrollaron en la década de 1970. Estos procesos se utilizan en más de 1100 plantas en todo el mundo. Las principales ventajas de la energía fotovoltaica en las plantas de desalinización se deben a su idoneidad para plantas de pequeña escala. Un ejemplo se encuentra en Japón, en la isla de Oshima ( Nagasaki ), que funciona desde 1986 con 390 paneles fotovoltaicos que producen 10 m 3 /día con sólidos disueltos (TDS) de aproximadamente 400 ppm. [46]
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