Energía
Desalinización impulsada por energía solar – Resolviendo la escasez de agua para 2.2 mil millones de humanos
El problema de la escasez de agua es más urgente de lo que podemos imaginar. Según los datos presentados por el United Nations Environment Programme, cerca del 50 % de la población del planeta, lo que equivale a casi 4 mil millones de personas, enfrentan déficits de agua al menos un mes al año.
Para el próximo año, para 2025, se espera que 1,8 mil millones de personas enfrenten lo que la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) denomina “escasez absoluta de agua”.
Abordar un problema tan enorme y omnipresente requiere soluciones innovadoras, soluciones que utilicen recursos inexplorados o poco explotados.
Por ejemplo, combatir el problema de la escasez de agua podría consistir en convertir el agua de mar en agua dulce, lo cual es una de las soluciones más efectivas ya que el suministro de agua de mar es abundante. Sería mejor si el proceso pudiera llevarse a cabo utilizando renewable energy, como la energía solar.
Dispositivo de bajo consumo energético para producir agua potable a partir del agua de mar
Convertir el agua de mar en agua potable requiere desalinización. Sin embargo, los sistemas de desalinización actuales que bombean agua de mar a través de membranas para separar la sal del agua no solo consumen mucha energía, sino que también sufren la acumulación de sal en la superficie del dispositivo. Como resultado, el flujo de agua se obstruye, reduciendo la eficiencia. Estas deposiciones de sal hacen que estas máquinas no sean aptas para una operación continua y sean costosas, requiriendo mantenimiento frecuente.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Waterloo ha desarrollado ahora una solución inspirada en the water cycle of nature, basándose en gran medida en la forma en que los árboles transportan el agua desde las raíces hasta las hojas.
Según el Dr. Michael Tam, profesor del Departamento de Ingeniería Química de Waterloo:
“Nuestra inspiración proviene de observar cómo la naturaleza se sostiene a sí misma y la forma en que el agua se evapora y condensa en el medio ambiente.”
Dado que el mecanismo se inspira en el ciclo natural del agua, apenas requiere mantenimiento mayor.
El proceso implica una solución diseñada que induce la evaporación del agua, la transporta a la superficie y la condensa en un ciclo cerrado. El resultado es una prevención eficaz de la acumulación de sal y una mayor longevidad del dispositivo sin comprometer la eficiencia.
Lo que se suma a los beneficios del dispositivo es que utiliza renewable energy, making the device energy-efficient. Funciona con energía solar y puede convertir cerca del 93 % de la luz solar en energía.
The efficiency is five times better compared to the current desalination systems available in the market, producing close to twenty liters of fresh water per square meter.
Curiosamente, es la misma cantidad de agua que the WHO recommends for each person every day for basic drinking and hygiene.
Para que el dispositivo utilice eficientemente la energía solar, los investigadores emplearon como material base níquel (Ni). La base de espuma de níquel se recubrió con un polímero conductor y partículas de polen termorresponsivas. La composición hizo que el material fuera apto para absorber la luz solar a lo largo del espectro de radiación solar.
Para el movimiento ascendente del agua, se calentó y transportó una fina capa de agua salada. Es similar a cómo el agua viaja a través de los capilares naturales de los árboles. La evaporación del agua hace que la sal restante se desplace hacia la parte inferior del dispositivo.
La simplicidad de la solución la hace preparada para una mayor adopción. Su portabilidad garantiza que pueda ser utilizada en regiones remotas, especialmente en naciones costeras e insulares.
Al resumir los beneficios generales de la solución, la Dra. Yuning Li, profesora del Departamento de Ingeniería Química de Waterloo, dijo:
“Este nuevo dispositivo no solo es eficiente sino también portátil, lo que lo hace ideal para su uso en regiones remotas donde el acceso a agua fresca es limitado.”
Para profundizar más en los posibles beneficios, el Dr. Michael Tam dijo lo siguiente:
“Si la prueba resulta exitosa, la tecnología puede suministrar de manera sostenible agua fresca a las comunidades costeras y avanzar en los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la ONU 3, 6, 10 y 12.”
Mientras que la investigación mencionada anteriormente ha generado mucha esperanza en la comunidad científica y entre quienes trabajan por soluciones sostenibles de agua dulce, otros investigadores también han estado trabajando en ello.
En el siguiente segmento, discutimos el desarrollo de una unidad de desalinización portátil que los investigadores del MIT propusieron en 2022.
Una unidad de desalinización portátil para generar agua potable clara y limpia
En abril de 2022, MIT researchers developed a portable desalination unit that weighed less than 10 kilograms, about the size of a suitcase. It could run with less power than what was required to operate a cell phone charger. Available for purchase at US$50, like the device we discussed in our previous segment, this one, too, came free from the need for water passing through the filters. Instead, it used electrical power to remove particles from drinking water.
Técnica de Polarización por Concentración Iónica que hace que la unidad sea libre de filtros
El proceso, resultado del trabajo de una década de los investigadores, consistió en aplicar un campo eléctrico a membranas ubicadas arriba y abajo de un canal de agua. Las membranas podían repeler partículas con carga positiva o negativa, incluyendo moléculas de sal, bacterias y virus, mientras el agua fluía a su paso. El proceso podía ayudar a eliminar tanto sólidos disueltos como suspendidos.
Los investigadores, al diseñar su solución, hicieron un uso prudente de las mejores técnicas disponibles, incluido el aprendizaje automático. El aprendizaje automático demostró ser eficaz para encontrar la combinación ideal de módulos de ICP y electrodialisis, ya que el proceso involucraba un total de seis módulos.
Los investigadores también tuvieron en cuenta que dispositivos como este, que solo serían efectivos si lograran una gran adopción, deben ser fáciles y simples de usar. Por lo tanto, podría lanzarse con un solo botón para la desalinización y purificación automáticas.
También podría notificar a los usuarios cuando el nivel de salinidad y la cantidad de partículas estuvieran por debajo de un umbral tolerable específico. Para que la lectura de datos sea simple e intuitiva, los investigadores ofrecieron una aplicación para smartphone capaz de controlar la unidad de forma inalámbrica y reportar todos los datos disponibles sobre consumo de energía y salinidad del agua en tiempo real.
Financiada, en parte, por el DEVCOM Soldier Center, el Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), el Experimental AI Postdoc Fellowship Program of Northeastern University, y el Roux AI Institute, la investigación proporcionó resultados satisfactorios.
Los investigadores sacaron la solución del laboratorio y la probaron en la playa Carson de Boston. El agua resultante superó las directrices de calidad de la Organización Mundial de la Salud al reducir la cantidad de sólidos suspendidos en al menos un factor de 10, mientras que el prototipo generó agua potable a una velocidad de 0,3 litros por hora, requiriendo solo 20 vatios‑hora por litro.
Elaborando sobre la naturaleza revolucionaria del experimento, el autor principal Jongyoon Han, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y de ingeniería biológica y miembro del Research Laboratory of Electronics (RLE)., dijo lo siguiente:
“Esto es realmente la culminación de un viaje de 10 años en el que yo y mi grupo hemos estado. Trabajamos durante años en la física detrás de los procesos de desalinización individuales, pero llevar todos esos avances a una caja, construir un sistema y demostrarlo en el océano, fue una experiencia realmente significativa y gratificante para mí.”
Mientras los investigadores universitarios están profundamente comprometidos con esta noble búsqueda, hay varias empresas que han asumido la tarea de desalinizar agua. Su contribución es igualmente crucial, ya que la adopción a gran escala requiere soluciones ampliadas que funcionen a nivel comercial. En los siguientes segmentos, analizaremos un par de esas empresas.
#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)
La empresa tiene sus servicios de ingeniería listos para capacitar a sus clientes con el diseño‑construcción completo de Sea Water Reverse Osmosis desalination systems. La empresa atiende todo el ciclo de servicio que implica instalación, expansión o modernización.
La empresa, cotizada y negociada en Nasdaq, lleva a cabo la gestión, ingeniería y servicios de construcción para la desalinización a través de DesalCo, reconocida por los proveedores como un Original Equipment Manufacturer (OEM) de plantas de desalinización por ósmosis inversa de agua de mar para la compañía.
Tecnológicamente, la empresa reconoce dos métodos principales para desalinizar:
(i) Destilación térmica
(ii) Separación por membrana.
La empresa prefiere este último debido a sus menores costos energéticos. La empresa emplea la separación por membrana de ósmosis inversa para la desalinización de agua salobre y de mar. Es un proceso de separación de fluidos donde el agua salina se presuriza, y el agua dulce se separa de la sal al pasar a través de una membrana semipermeable que rechaza las sales.
La planta de ósmosis inversa de agua de mar de Consolidated Water está ubicada en Nassau, New Providence, Commonwealth de las Bahamas. Puesta en marcha en julio de 2006, la planta tiene una capacidad operativa para manejar 12 millones de galones estadounidenses de agua por día.
En 2023, la empresa completó la adquisición del 39 % restante de la participación de PERC Water Corporation (“PERC”) para convertirse en el propietario al 100 % de esta subsidiaria, que diseña, construye, opera y gestiona instalaciones de infraestructura hídrica en el suroeste de EE. UU.
En el mismo año, a PERC se le adjudicó un nuevo $204 million contract to design, construct, and operate a new desalination facility en Honolulu, Hawái.
Las operaciones minoristas de la empresa en las Islas Caimán producen agua potable en tres plantas de desalinización por ósmosis inversa de agua de mar en Gran Caimán, ubicadas en sus sitios Abel Castillo Water Works (“ACWW”) y West Bay.
La capacidad de producción agregada actual de las dos plantas ubicadas en ACWW es de 3,0 millones de galones de agua por día. La capacidad de producción de la planta West Bay es de 1 000 000 de galones de agua por día.
(CWCO )
En 2023, la empresa obtuvo unos ingresos de 180,2 millones de dólares, un salto significativo respecto a sus ingresos de 94,1 millones de dólares en 2022. En 2023 la empresa registró un ingreso neto récord y ganancias por acción de sus operaciones continuas de 30,7 millones de dólares y 1,93 dólares, respectivamente. El precio de la acción ordinaria de la empresa alcanzó un máximo histórico de 38,29 dólares en noviembre de 2023.
#2. Veolia
La empresa considera la desalinización como una solución clave para fight water scarcity. Afirma haber construido cientos de plantas y sistemas de desalinización en todo el mundo, produciendo agua dulce tanto para necesidades municipales como industriales. Los proyectos insignia más recientes de la empresa incluyeron la planta Al Dur 2 en Baréin, la planta Rabigh 3 en Arabia Saudita y la planta IWP Umm Al Quwain en los Emiratos Árabes Unidos.
Desde 2007, la empresa ha sido responsable de construir y operar la planta de ósmosis inversa de agua de mar de Sur, junto con la Oman Power and Water Procurement Company (OPWP). La instalación proporciona agua potable a más de 600 000 personas. Veolia también construye instalaciones de desalinización para necesidades industriales.
La tecnología propietaria Barrel de Veolia es un sistema de desalinización RO seguro, compacto y digital cuyo enfoque plug‑and‑play ayuda a garantizar un cronograma acelerado, mientras que sus sensores digitales integrados aseguran una monitorización remota eficiente.
Veolia, además de sus soluciones directas de desalinización, también ayuda a sus clientes con una combinación de herramientas digitales y experiencia que hace que los procesos sean más inteligentes, seguros y sostenibles.
Su cartera de servicios de base instalada ofrece servicios de tratamiento de agua personalizados adaptados a las necesidades exactas del cliente. Los servicios de agua móvil de Veolia consisten en activos de alquiler que apoyan y asisten las operaciones del sitio del cliente para necesidades de tratamiento de agua temporales y a largo plazo. Finalmente, bajo su división de programas químicos de tratamiento de agua, la empresa ofrece soluciones químicas de higiene del agua y HYDREX que ayudan a mejorar el rendimiento de los equipos de servicios públicos y de tratamiento de agua.
Las acciones de Veolia (OTC: VEOVY) cotizan en el mercado over‑the‑counter (OTC). En la primera mitad de 2024, la company registered a revenue of 22.141 Billion Euros, una ligera disminución respecto a los ingresos del primer semestre de 2023 de 22.755 mil millones de euros. De estos 22,141 mil millones, casi 8,8 mil millones de euros provienen de la división de negocio que atiende a las necesidades de agua. Las otras dos se refieren a residuos y energía.
La creciente importancia de la desalinización
Ya proviene un volumen significativo de agua de la desalinización. Según los datos presentados por la International Desalination Association, la capacidad contratada acumulada de desalinización ha superado ahora los 100 million m3/d and nearly 60% of desalination is devoted to human consumption. Según estimaciones, alrededor de 300 millones de personas dependen de este proceso para su uso diario de agua. Países como Kuwait producen casi el 100 % de su uso de agua dulce mediante desalinización.
Sin embargo, los proyectos de desalinización aún no están distribuidos uniformemente en todo el mundo. Las regiones de Oriente Medio y Norteamérica representan en conjunto más del 70% of the world’s desalination capacity. De ese 70 %, Oriente Medio solo representa más del 53%.
Los datos también indican que había más de 21,000 seawater desalination plants in 2022, con una producción global diaria de 99 millones de m³/día de agua desalada. Sin embargo, este volumen de producción también genera más de 150 millones de m³/día de subproducto de salmuera. La salmuera es el agua de mar ligeramente concentrada que las plantas de desalinización rechazan al mar. El contenido de sal de la salmuera es aproximadamente 60 g/l para el agua de mar a 40 g/l, mientras que la temperatura del rechazo de salmuera es ligeramente superior a la del agua de mar, unos pocos grados Celsius.
La investigación futura deberá invertir tiempo y recursos en encontrar formas más respetuosas con el medio ambiente. El uso de energía solar para operar estas plantas ayuda a reducir significativamente la huella de carbono de estas instalaciones. Sin embargo, la investigación futura debe garantizar que casi toda el agua de mar de entrada se convierta en agua potable fresca. Esto asegurará que no haya rechazos nocivos que salgan como subproducto.
Mecanismos exitosos de transporte y distribución garantizarán que esta agua vaya más allá de las naciones ubicadas en la costa y llegue a regiones áridas y secas sin una fuente significativa de agua potable cercana.
