La desalinización solar es una técnica de desalinización impulsada por energía solar . Los dos métodos habituales 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 produjeron destilados medicinales y de agua dulce. Los destiladores solares fueron el primer método utilizado a gran escala para convertir agua contaminada en agua 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 más tarde, 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 continuamente durante 40 años y destiló un promedio de 22,7 m 3 de agua por 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 la investigación y el desarrollo de la desalinización. proyectos. [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 costeras y desérticas remotas. [4] En los años 1960 y 1970 se construyeron varias plantas de destilación en las islas griegas con capacidades que oscilaban entre 2.000 y 8.500 m 3 /día. [2] En 1984 se construyó una planta en Abu Dhabi con una capacidad de 120 m 3 /día que todavía está en funcionamiento. [4] En Italia , se desarrolló un diseño de código abierto llamado "el Eliodomestico" de Gabriele Diamanti para uso personal que costó 50 dólares. [6]
De los 22 millones de m 3 diarios estimados de agua dulce que se producen a través de la desalinización en todo el mundo, menos del 1% utiliza energía solar. [2] Los métodos predominantes de desalinización, 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 los abundantes recursos energéticos de bajo costo, la destilación solar se ha considerado un costo prohibitivo y poco práctico. [2] Se estima que las plantas desaladoras 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 salina en agua dulce, haciéndola apta para el consumo humano y el riego. El proceso se puede clasificar según el tipo de fuente de energía solar utilizada. En la desalinización solar directa, el agua salina absorbe la energía solar y se evapora, dejando sal y otras impurezas. Un ejemplo de esto son los destiladores solares, donde un ambiente 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 a 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 está acoplado 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 pequeñas plantas 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 promedio estimado de 3 a 4 litros por metro cuadrado (0,074 a 0,098 gal EE.UU./pie cuadrado). [2] Debido a esta proporcionalidad y al costo relativamente alto de la propiedad y el material para la construcción, la destilación tiende a favorecer a las plantas con capacidades de producción inferiores a 200 m 3 /d (53.000 gal EE.UU./d). [2]
Esto utiliza el mismo proceso que la lluvia. Una tapa transparente encierra una cubeta donde se coloca agua salina. Este último atrapa la energía solar y evapora el agua del mar. El vapor se condensa en la cara interior de una cubierta transparente inclinada, dejando sales, componentes orgánicos e inorgánicos y microbios.
El método directo consigue valores de 4-5 L/m 2 /día y una eficiencia del 30-40%. [10] La eficiencia se puede mejorar hasta un 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 logra temperaturas más altas. [12]
Un alambique de difusión se compone de un tanque de almacenamiento caliente acoplado a un colector solar y 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 necesaria ]
Los métodos directos utilizan energía térmica para vaporizar el agua de mar como parte de una separación de dos fases. Estos métodos son relativamente sencillos 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 emplea un conjunto de recolección solar, que consta de colectores térmicos fotovoltaicos y/o basados en fluidos, y una planta de desalinización convencional separada. [9] Se han analizado, probado experimentalmente y desplegado muchos dispositivos. Las categorías incluyen humidificación de efectos múltiples (MEH), destilación instantánea de múltiples etapas (MSF), destilación de efectos múltiples (MED), ebullición de efectos múltiples (MEB), humidificación-deshumidificación (HDH), ósmosis inversa (RO) y congelación. -efecto destilación. [8]
Las grandes plantas desaladoras solares suelen utilizar métodos indirectos. [ cita necesaria ] 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 acciona las bombas. [16] La desalinización solar por cambio de fase (o multifase) no se basa en membranas. [17]
Los sistemas de desalinización solar indirecta que utilizan paneles fotovoltaicos (PV) y ósmosis inversa (RO) se utilizan desde 2009. La producción en 2013 alcanzó los 1.600 litros (420 gal EE.UU.) por hora por sistema y los 200 litros (53 gal EE.UU.) por día. Metro cuadrado de panel fotovoltaico. [18] [19] El atolón Utirik en el Océano Pacífico recibe agua dulce de esta manera desde 2010. [20]
Los procesos de desalinización monofásicos incluyen la ósmosis inversa y la destilación por membranas , donde las membranas filtran el agua de los contaminantes. [15] [17] En 2014, la ósmosis inversa (RO) representaba aproximadamente el 52% de los métodos indirectos. [21] [22] Las bombas empujan agua salada a través de módulos de RO a alta presión. [15] [21] Los sistemas de RO dependen de las diferencias de presión. Para purificar el agua de mar se requiere una presión de 55 a 65 bar. Normalmente se requiere una media de 5 kWh/m 3 de energía para hacer funcionar una planta de ósmosis inversa a gran escala. [21] La destilación por membrana (MD) utiliza la diferencia de presión de dos lados de una membrana hidrofóbica microporosa. [21] [23] El agua dulce se puede extraer mediante cuatro métodos MD: contacto directo (DCMD), espacio de aire (AGMD), gas de barrido (SGMD) y vacío (VMD). [21] [23] Un costo de agua estimado de $15/m 3 y $18/m 3 sustentan plantas solares-MD de mediana escala. [21] [24] El consumo de energía oscila entre 200 y 300 kWh/m 3 . [25]
La desalinización solar de cambio de fase (o multifase) [17] [22] [26] incluye flash de múltiples etapas , destilación de múltiples efectos (MED) y compresión térmica de vapor (VC) . [17] Se logra mediante el uso de 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 oscilan entre 80 y 120 °C, entre 40 y 100 °C para VC y entre 50 y 90 °C para el método MED. [17] [26] La inflamación 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 añade calor para capturar el calor latente del vapor. A medida que el agua de mar fluye a través de los reactores, se recoge vapor y se condensa para producir agua dulce. [22] En la destilación de efectos múltiples (MED) , el agua de mar fluye a través de recipientes sucesivamente de baja presión 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 flash de múltiples etapas (MSF) es una tecnología ampliamente utilizada para la desalinización, particularmente en plantas desalinizadoras 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 de MSF, el agua de mar se calienta y se somete a una serie de flashings o despresurizaciones rápidas en múltiples etapas. Cada etapa consta de una serie de intercambiadores de calor y cámaras de flash. El proceso normalmente implica los siguientes pasos:
El método flash de múltiples etapas (MSF), conocido por su alta eficiencia energética mediante la utilización de calor latente de vaporización durante el proceso de flasheo, representó aproximadamente el 45% de la capacidad de desalinización del mundo y un 93% dominante de los sistemas térmicos, como se registra en 2009. [2]
En Margherita di Savoia , Italia, una planta de MSF de 50 a 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 cilindroparabólicos para proporcionar energía solar térmica y 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 con una turbina eólica de 1 kW (para impulsar varias bombas pequeñas) para producir 0,8 m 3 /día. [29]
La destilación solar de MSF tiene una capacidad de producción de 6 a 60 L/m 2 /día frente a la producción estándar de 3 a 4 L/m 2 /día de un alambique solar. [8] MSF experimenta una eficiencia deficiente durante el arranque o los períodos de baja energía. Lograr la mayor eficiencia requiere 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 hacer frente a 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 máxima eficiencia. [30]
En el invernadero de agua de mar se utiliza la desalinización solar indirecta mediante una forma de humidificación/deshumidificación . [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 6,01 kJ/mol y el calor latente de vaporización a 100 °C es 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 costo y 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 para formar hielo, y luego esos cristales se separan y se derriten para obtener agua dulce. Hay algunos ejemplos recientes de estos procesos impulsados por energía solar: la unidad construida en Arabia Saudita por Chicago Bridge and Iron Inc. a finales de los años 1980, que fue cerrada por su ineficiencia. [33]
Sin embargo, hay un estudio reciente para las aguas subterráneas salinas [34] que concluye que una planta capaz de producir 1 millón de galones/día produciría agua a un coste de 1,30 dólares/1000 galones. Siendo esto cierto, sería un dispositivo competitivo en costes con los de ósmosis inversa.
Los proyectos de desalinización solar térmica enfrentan problemas de diseño inherentes. Primero, la eficiencia del sistema está gobernada por tasas de transferencia de masa y calor 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 necesaria ]
La recuperación de calor permite reutilizar el mismo aporte de calor, proporcionando varias veces más agua. [1]
Una solución es reducir la presión dentro del yacimiento. 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 efectos múltiples, ciclo de evaporación por condensación solar de múltiples etapas (SMCEC) o humidificación de efectos múltiples (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 recogiendo el calor del vapor de agua condensado y precalentando la fuente de agua entrante .
En la desalinización indirecta, o monofásica, alimentada por energía solar, se combinan dos sistemas: un sistema de captación de energía solar (por ejemplo, paneles fotovoltaicos) y un sistema de desalinización como la ósmosis inversa (RO). 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 ósmosis inversa. Más de 15.000 plantas desalinizadoras operan en todo el mundo. Casi el 70% utiliza ósmosis inversa, lo que produce el 44% de la desalinización. [38] Se están desarrollando métodos alternativos que utilizan la captación solar térmica para proporcionar energía mecánica para impulsar la ósmosis inversa.
La RO 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 con energía fotovoltaica. Sin embargo, la caída de los costos de los paneles fotovoltaicos hace que la desalinización con energía solar sea más factible. [ cita necesaria ]
La desalinización por ósmosis inversa con energía solar es común en 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 ósmosis inversa con energía fotovoltaica arrojó resultados favorables.
La energía fotovoltaica convierte la radiación solar en electricidad de corriente continua (CC), que alimenta la unidad de RO. La naturaleza intermitente de la luz solar y su intensidad variable a lo largo del día complica la predicción de la eficiencia fotovoltaica y limita la desalinización nocturna. Las baterías pueden almacenar energía solar para su uso posterior. Del mismo modo, 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 las operaciones intermitentes pueden aumentar la contaminación biológica. [43]
Las baterías siguen siendo caras y requieren un mantenimiento continuo. 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/m 3 . Usando energía renovable, ese costo podría aumentar hasta US$16/m 3 . [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 al potencial eléctrico (ED). [44]
En la DE, se aplica una fuerza eléctrica a los electrodos; los cationes viajan hacia el cátodo y los aniones viajan hacia el ánodo. Las membranas de intercambio solo permiten el paso de su tipo permeable (catión o anión), de ahí 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 a través de todas las celdas, proporcionando un flujo continuo de permeado y salmuera. Aunque se trata de un proceso bien conocido, la electrodiálisis no es adecuada comercialmente para la desalinización de agua de mar, porque sólo puede utilizarse 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 ROJO, 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 lo convierte en un proceso de autolimpieza, eliminando casi la necesidad de un pretratamiento químico, lo que lo hace económicamente atractivo para aguas salobres. [46]
El uso de sistemas ED comenzó en 1954, mientras que RED se desarrolló 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 desaladoras se deben a su idoneidad para plantas de pequeña escala. Un ejemplo es el de 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 unas 400 ppm. [46]
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