La desalinización desesperada
AGUA

La desalinización desesperada

Graves sequías obligan a los investigadores a repensar cómo usar la tecnología para aumentar la producción de agua dulce

Por David Talbot (Traducido por Lía Moya)

Incluso en California, donde la sequía es un mal común, San Diego destaca. Tiene menos precipitaciones que las resecas Los Ángeles y Fresno. La región cuenta con menos agua subterránea que muchas otras partes de este estado estadounidense. Y más del 80% del agua para hogares y empresas se importa de fuentes que soportan una presión cada vez mayor.

El río Colorado está tan explotado que rara vez alcanza el mar; este año la administración tuvo que racionar el agua con origen en el delta del río Sacramento, más de 650 kilómetros al norte, impidiendo el acceso a algunos agricultores del Valle Central de California a su fuente principal de riego. El condado de San Diego, caluroso, seco y cada vez más poblado, permite ver lo que le espera a gran parte del mundo. Y el futuro de muchos de esos sitios también se puede observar en la decisión del gobierno local: construir la mayor planta desalinizadora de agua de mar del hemisferio occidental, con un coste de 1.000 millones de dólares (unos 800 millones de euros).

Este inmenso proyecto, situado cerca de Carlsbad, es un hervidero de actividad donde se mueven casi 500 trabajadores ataviados con cascos amarillos. Cuando esté terminado el año que viene, extraerá más de 380 millones de litros de agua del Pacífico cada día y producirá 205 millones de litros de agua dulce. Aunque estas cifras representan apenas un 10% de las necesidades de agua del condado, lo importante es que será una fuente fiable y a prueba de sequías, un seguro ante la posibilidad de que las cosas empeoren aún más.

El condado está apostando por una combinación de ingeniería moderna y tecnología de desalinización que lleva décadas funcionando. Se está construyendo una trinchera recorrida por tuberías hasta una laguna cercana; 18 tanques de cemento del tamaño de una casa esperan para recibir cargas de arena y carbón para tratar el agua salada antes de que esté preparada para la desalinización; bombas de presión conducirán el agua hasta una tubería de acero inoxidable de un metro de diámetro. Esta última pieza reluciente conducirá el agua a alta presión hasta 2.000 tubos de fibra de vidrio, donde se pasará a través membranas hechas con un polímero semipermeable. Lo que atraviese estas membranas será agua dulce, dejando el salitre atrás.

Este proceso se denomina ósmosis inversa (OI) y es el pilar principal de las potabilizadoras a gran escala en todo el mundo. Al pasar el agua a presión a través de la membrana, el polímero permite que las moléculas de agua pasen, pero bloquea las sales y otras impurezas inorgánicas. La producción global de agua desalinizada se ha triplicado desde el año 2000, hay 16.000 desalinizadoras en funcionamiento en todo el mundo. Y se espera que aumente el ritmo de construcción a la vez que mejora la tecnología. Carlsbad, por ejemplo, tiene membranas comerciales de última generación y sistemas de recuperación de la presión avanzados, pero estas instalaciones siguen siendo caras de construir y operar.

De hecho, la desalinización de agua de mar es una de las fuentes de agua potable más caras. En función de las condiciones de cada planta, el agua se vende de 1.000 a 2.500 dólares por 1.200 metros cúbicos (de 800 a 2.000 euros), que es la cantidad que usan dos hogares de cinco personas en Estados Unidos por año. El producto de Carlsbad se venderá a unos 2.000 dólares (unos 1.600 euros), que es un 80% más de lo que paga el condado por agua tratada de fuera de la zona. Una de las razones por las que tiene este precio es la gran cantidad de energía necesaria para empujar el agua a través de las membranas. Y Carlsbad, igual que la mayoría de las desalinizadoras, se está construyendo con bombas, capacidad de tratamiento y tubos de membrana de más para poder garantizar los picos de demanda. “Dado que es un valor clave para la región, hay una cantidad tremenda de redundancia para tener una alta fiabilidad”, afirma el vicepresidente de Poseidon Water, Jonathan Loveland, cuya empresa posee la planta. “Si falla alguna pieza, otra podrá cubrirla”.

Ya hay unos 700 millones de personas en el mundo que sufren de escasez de agua y se espera que esa cifra alcance los 1.800 millones en apenas 10 años. Hay países, como Israel, que ya tienen una fuerte dependencia de la desalinización; y habrá más que le sigan. En muchos lugares, ya están “llegando al límite de las fuentes de agua renovables”, pero siguen creciendo, afirma el ingeniero mecánico y director del Centro de Agua y Energía Limpias del Instituto de Tecnología de Massachusetts (EEUU), John Lienhard. “A eso se añade el calentamiento global, que produce condiciones de más calor y sequía en muchas zonas y que potencialmente reducirá la cantidad de agua renovable disponible”. Aunque la conservación y el reciclaje pueden ayudar, no puedes reciclar lo que no tienes. “Según crezcan las ciudades de las costas”, afirma, “aumentará rápidamente el valor de la desalinización, y es probable que asistamos a una adopción generalizada de la tecnología”.

A pesar de este negro panorama, hay buenas noticias. En breve, la desalinización estará madura para introducir mejoras tecnológicas. Una combinación de optimización y automatización mediante sensores, junto con nuevos tipos de membranas podrían permitir la construcción de desalinizadoras la mitad de grandes y que usen muchísima menos energía. Entre otros beneficios posibles, se podrían usar pequeñas unidades desalinizadoras móviles en regiones agrícolas a cientos de kilómetros del océano, donde la hay una gran demanda de agua que no para de crecer.

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Gráfico: La sequía en California ha sido un factor importante a la hora de reconsiderar la necesidad de usar agua de mar desalinizada. Aunque es frecuente que haya pocas precipitaciones en el estado, un cálculo reciente sugiere que la sequía de 2012-2014 ha sido la peor en los últimos 1.200 años. Investigaciones de la Universidad de Minnesota (EEUU) y la Institución Oceanográfica Woods Hole examinaron los anillos de robles azules centenarios para calcular a gravedad histórica de la sequía actual. Crédito: MIT Technology Review.

 

Agua inteligente

Cada dos semanas el ingeniero químico que dirige el Centro de Investigación en Tecnología del Agua de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA, en EEUU), Yoram Cohen, se dirige al valle de San Joaquín, asolado por la sequía. Esta zona forma parte de la enorme sección agrícola central del Estado de California, que cultiva gran parte de la comida del país y que ha sufrido muchísimo con los efectos de la sequía. El 2014 ha sido el tercer año consecutivo de sequía y en el que la demanda de agua ha alcanzado máximos históricos. Me uní a Cohen en una de sus salidas: un viaje en coche desde sus laboratorios en UCLA hasta el pequeño pueblo de Firebaugh, en el valle, una de las regiones más afectadas del estado. A lo largo de la, la autovía que conecta las ciudades de la costa sur de California con su valle central, vimos inmensos edificios de ingeniería de agua construidos en la década de 1950, entre ellos cuatro enormes viaductos que atraviesan las montañas Tehachapi y el Acueducto de California, forrado de cemento, que serpentea por el suelo de valle. Este sistema de agua del estado, dedicado aproximadamente en un 80% a la agricultura y en un 20% a las ciudades, sigue transportando agua que se bombea desde el delta del río Sacramento a través del Acueducto de California, que mide 710 kilómetros. Esta infraestructura permitió al sur de California convertirse en lo que es hoy.

Pero es un sistema que soporta una tremenda presión. La persistente falta de lluvias en California significa que el 80% del estado se encuentra ahora en situación de sequía “extrema” o “excepcional”, lo que obliga a restricciones de agua en zonas urbanas y cortes de agua para algunos agricultores. Los resultados son evidentes; campos agrícolas secos recién abandonados; señales de carretera que avisan de “sequía extrema”; carteles que claman “Agua = Empleo”. Según un estudio reciente hecho por la Universidad de California en Davis, sólo en 2014 la sequía supuso unas pérdidas de 1.500 millones de dólares para el sector agrícola (unos 1.200 millones de euros). El robot logra todo esto gracias a un conjunto de algoritmos, un puñado de sensores que miden los ángulos de inclinación, la velocidad y orientación, y un láser. El láser se suspende entre dos postes colocados en los extremos del área de trabajo del robot, y recorre la pared de arriba abajo mientras trabaja el robot para servirle de punto de anclaje. Sin esto, el robot no sabría exactamente dónde colocar los ladrillos, ni cómo evaluar sus movimientos sobre el andamio en relación a la pared.

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Foto: La planta desalinizadora de Carlsbad, que aún se está construyendo, será la instalación más grande de este tipo en Estados Unidos. Aquí vemos bombas de turbina de acero inoxidable que se usarán para bombear el agua limpia, protegidas por una envoltura de Mylar y listas para instalarse. Crédito: MIT Technology Review.

 

Cohen, que nació en Israel, explica que a pesar de estas presiones, la desalinización no ha cambiado en lo esencial desde la década de 1980. El tiempo que se tarda en planificar grandes proyectos (en planificar Carlsbad se tardaron 14 años) hace que los inversores no puedan esperar demasiados rendimientos de las nuevas tecnologías, y por otra parte las subvenciones federales se están dedicando a otras prioridades. Además se ha podido reciclar o conservar agua así que la desalinización, que es más cara, ha sido menos necesaria. Lo bueno de esto, sostiene Cohen, es que ahora la desalinización está en una posición de poder transformarse gracias a los mismos procesos de sensores, automatización y control mediante algoritmos que están reconfigurando otras industrias. Muy ponto pude ver a qué se refería.

El Sol de finales de octubre se ponía y largas sombras se extendían por el suelo seco y agrietado, destacando cada pliegue. Salimos de la I-5, condujimos 15 kilómetros y giramos a la derecha por una pista de tierra entre árboles de pistacho. Estaba anocheciendo y los haces de los faros desaparecían en la plana nada del desierto. Pero al abrir la ventanilla, capté el olor de algo que se parecía remotamente al aire salado de la costa. Los faros dejaron a la vista al culpable: una tubería que vomitaba un brebaje de aguas residuales agrícolas reutilizadas innumerables veces. Ese agua había empezado su viaje en el delta del Sacramento como agua dulce, pero se había ido concentrando cada vez más por evaporación en el sistema de acueductos y aún más tras usarse para los cultivos, cogiendo minerales del suelo y reutilizándose para los cultivos. Ahora era casi tan salina como el agua de mar, aparte de estar contaminada por toda una serie de minerales y fertilizantes.

Cohen me llevó a un tráiler cercano habitado por dos estudiantes de universidad y una vasta colección de tanques, tuberías, válvulas, tubos y ordenadores. Era un sistema totalmente automatizado, capaz de usar cualquier líquido salino o contaminado producido por los agricultores de Firebaugh para generar 115.000 litros de agua potable diarios. Una pantalla de ordenador mostraba una imagen en blanco y negro que parecía un paisaje lunar. Era una toma de un trozo de la membrana de poliamida fundamental para el proceso. Esta imagen revelaba unos cuantos trozos blancos; el principio de un depósito de minerales, la maldición de las membranas. El software de análisis de imágenes puede detectar cuándo sucede esto y un algoritmo puede indicar a una válvula que se abra y dispense solución antical al sistema, adelantándose al problema. Otros sensores y sistemas de control pueden hacer modificaciones para impedir otros problemas graves, cambiando la presión o la dosis de aditivos químicos que se usan en el tratamiento del agua previo a la desalinización.

Cohen cogió un tubo de plástico y giró el pequeño tapón. Salió agua limpia; extendió la mano para coger un poco, se la llevó a la boca, bebió una parte y se lavó la cara con el resto. “Si somos capaces de crear un coche que no necesita conductor, ¿por qué no podemos tener una planta de OI sin operadores?” se preguntó.

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Gráfico: La energía necesaria para que las plantas existentes produzcan agua potable partiendo de distintas fuentes (kilovatios hora por metro cúbico).Crédito: MIT Technology Review.

El ahorro podría ser significativo: los sistemas automatizados como este probablemente podrían ahorrar entre un tercio y la mitad de los costes de las desalinizadoras convencionales, según Cohen. Pero más que eso, se podría llevar hasta los agricultores una unidad del tamaño de un tráiler de camión capaz de adaptarse a distintos lugares y condiciones sobre la marcha, para ayudarles a conseguir agua dulce independientemente de lo que tengan para empezar.

Membranas mágicas

Aunque los sistemas sean cada vez más inteligentes, la ósmosis inversa sigue necesitando muchísima energía. Carlsbad consumirá más de 35 megavatios de electricidad (que es la electricidad para 30.000 hogares), con una factura eléctrica anual de 30 millones de dólares (unos 24 millones de euros). Unas dos terceras partes de esa electricidad se dedicarán a conseguir la presión de agua necesaria para que la tecnología funcione. (El otro tercio irá principalmente a bombear el agua 15 kilómetros cuesta arriba hasta una reserva, así como al pretratamiento y el bombeo de succión). Los dueños de Carlsbad calculan que la planta consumirá 2,8 kilovatios hora por metro cúbico sólo para la desalinización. Algunos sistemas de ósmosis inversa pequeños, usando procesos configurados de otra forma (haciendo el agua correr en tandas en vez de bombearla continuamente) tienen un consumo energético en torno a los 1,5-1,7 kilovatios hora, afirma Lienhard. Pero esta tecnología no se ha probado aún a gran escala.

¿Cuál es el problema? Hace falta mucho trabajo para empujar el agua a través de las membranas, una presión que se traduce en un gran consumo energético. Estas membranas de poliamida relativamente gruesas están lejos de ser la solución ideal, pero son lo mejor que tenemos por el momento. Hay varios grupos dedicados a conseguir materiales más eficientes. En el MIT, el equipo del ingeniero mecánico Rohit Karnik está construyendo membranas con un espesor de un único átomo para ayudar a las moléculas de agua a pasar más fácilmente. Los investigadores bombardean grafeno con haces de iones y lo bañan en químicos para grabar poros de menos de un nanómetro de diámetro.

En teoría, una membrana esencialmente bidimensional como esta proporciona la menor resistencia posible. Los modelos informáticos del grupo de Ciencia e Ingeniería de los Materiales del MIT han demostrado que las membranas de grafeno podrían reducir el consumo energético en la ósmosis inversa de un 15% a un 46%. Y lo que es aún mejor, la alta permeabilidad podría significar que haría falta mucha menos superficie para hacer el trabajo, así que toda la planta podría tener la mitad de tamaño.

Por el momento Karnik ha fabricado una membrana de grafeno de un centímetro cuadrado, le ha hecho agujeros y ha demostrado que puede retener determinados iones de forma selectiva. Pero aún no ha demostrado que pueda desalinizar el agua de mar, ni siquiera en laboratorio. Y una vez que él u otro grupo consigan eso, el reto será fabricar kilómetros de materiales de membrana con características consistentes. Karnik se muestra optimista respecto a que lo conseguirá, pero afirma que las membranas de grafeno aún tardarán años en estar listas.

Los materiales de las membranas existentes podrían mejorar gracias a otros métodos de nanoingeniería. En una pequeña sección del tráiler de Firebaugh, Cohen está haciendo un experimento con una membrana inventada por su grupo. Se parte de una capa base de poliamida. Pero después añaden una capa de cepillos parecidos a tentáculos hechos con polímeros hidrofílicos, es decir, que atraen al agua. Las primeras investigaciones sugieren que estas membranas híbridas se ensucian mucho menos porque los cepillos, que él compara con algas moviéndose bajo el mar agarradas a una piedra, impiden que se depositen los minerales. Esto podría significar más horas de uso de cada membrana, menos repuestos y una producción más rápida. Pero Cohen insiste, mientras toma otro trago de su agua, en que hay que ser realistas. “La gente está convencida de que de alguna forma habrá una membrana mágica capaz de reducir el coste de la desalinización a prácticamente cero y creo que eso es un poco engañoso”, afirma.

Por el momento, en las ciudades costeras de California el agua de mar sigue siendo el último recurso después de la conservación, el reciclado e incluso el tratamiento y reutilización del agua del alcantarillado. Aunque muchas ciudades están sopesando la posibilidad de usar desalinización, la que tiene más probabilidades de seguir el ejemplo de San Diego es Santa Bárbara. Y es porque ya construyó una planta de OI en la década de 1990 después de una sequía de cinco años para cerrarla a continuación cuando un par de años de buenas lluvias de invierno volvieron a llenar las reservas. Hace poco la ciudad empezó a moverse para empezar financiar una cara rehabilitación de las instalaciones para que se puedan reactivar si hace falta. Otros municipios han decidido que es demasiado costoso o problemático en términos medioambientales (inevitablemente las instalaciones matan huevos de pescado y otra vida marina, a menos que las tuberías de entrada se entierren bajo la arena a un alto precio).

Pero estas decisiones pueden cambiar muy pronto. El agua recogida en reservas o bombeada desde deltas lejanos es cada vez más cara además de que estas alternativas tienen sus propios costes medioambientales. Según se van secando las fuentes y la competencia por el agua crece entre empresas, agricultores y ciudades, inevitablemente recurriremos al agua de mar y otras fuentes salinas. Quizá no sea una gran solución, pero al final lo que pasa es que cada vez tenemos menos opciones en un mundo sediento.

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