Desalinización del agua |
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Métodos |
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La desalación solar es una técnica de desalación alimentada por energía solar . Los dos métodos habituales son el directo (térmico) y el indirecto (fotovoltaico). [1]
Historia
La destilación solar se ha utilizado durante miles de años. Los primeros marineros griegos y 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 una forma 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 . Operó continuamente durante 40 años y destilaba 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 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 remotas del desierto y la costa. [4] En los años sesenta y setenta se construyeron varias plantas de destilación en las islas griegas con capacidades que oscilan entre 2000 y 8500 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 "Eliodomestico" de Gabriele Diamanti para un costo personal de $ 50. [6]
De los 22 millones de m 3 de agua dulce que se calcula que se producen al día mediante 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 los combustibles fósiles. [7] Debido a los métodos económicos de suministro de agua dulce y los abundantes recursos energéticos de bajo costo, la destilación solar se ha considerado prohibitiva y poco práctica. [2] Se estima que las plantas desaladoras que funcionan con combustibles convencionales consumen el equivalente a 203 millones de toneladas de combustible al año. [2]
Métodos
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En el método directo (destilación), un colector solar se acopla con 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 promedio estimado de 3 a 4 litros por metro cuadrado (0.074 a 0.098 galones estadounidenses / pies cuadrados). [2] Debido a esta proporcionalidad y al costo relativamente alto de la propiedad y el material de 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]
La desalinización indirecta emplea una matriz de captación solar, que consta de captadores térmicos fotovoltaicos y / o basados en fluidos, y una planta de desalinización convencional separada. [9] Se han analizado, probado experimentalmente y desplegado muchos arreglos. Las categorías incluyen humidificación de efectos múltiples (MEH), destilación instantánea de etapas múltiples (MSF), destilación de efectos múltiples (MED), ebullición de efectos múltiples (MEB), humidificación-deshumidificación (HDH), ósmosis inversa (RO) y congelación -Efecto de destilación. [7]
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 200 litros (53 gal EE.UU.) por día por día. metro cuadrado de panel fotovoltaico. [10] [11] El atolón Utirik en el Océano Pacífico ha recibido agua dulce de esta manera desde 2010. [12]
En el invernadero de agua de mar se utiliza la desalinización solar indirecta mediante una forma de humidificación / deshumidificación .
Indirecto
Las grandes plantas de desalinización solar suelen utilizar métodos indirectos. [13] Los procesos de desalinización solar indirecta se clasifican en procesos monofásicos (basados en membranas) y procesos de cambio de fase (no basados en membranas). [14] La desalinización monofásica utiliza energía fotovoltaica para producir electricidad que impulsa las bombas. [15] La desalinización solar por cambio de fase (o multifase) no se basa en membranas. [dieciséis]
Los procesos de desalinización de una sola fase incluyen la ósmosis inversa y la destilación por membranas , donde las membranas filtran el agua de los contaminantes. [14] [16] A partir de 2014, la ósmosis inversa (RO) constituía aproximadamente el 52% de los métodos indirectos. [13] [17] [18] Las bombas empujan el agua salada a través de los módulos de ósmosis inversa a alta presión. [14] [17] Los sistemas de ósmosis inversa dependen de las diferencias de presión. Se requiere una presión de 55 a 65 bar para purificar el agua de mar. Por lo general, se requiere un promedio de 5 kWh / m 3 de energía para operar una planta de ósmosis inversa a gran escala. [17] La destilación por membrana (MD) utiliza la diferencia de presión de dos lados de una membrana hidrófoba microporosa. [17] [19] El agua dulce se puede extraer a través de cuatro métodos MD: contacto directo (DCMD), espacio de aire (AGMD), gas de barrido (SGMD) y vacío (VMD). [17] [19] Un costo de agua estimado de $ 15 / m 3 y $ 18 / m 3 soporta plantas de MD solar de mediana escala. [17] [20] El consumo de energía oscila entre 200 y 300 kWh / m 3 . [21]
La desalinización solar por cambio de fase (o multifase) [16] [18] [22] incluye flash multietapa , destilación multiefecto (MED) y compresión térmica de vapor (VC) . [16] Se logra mediante el uso de materiales de cambio de fase (PCM) para maximizar el almacenamiento de calor latente y las altas temperaturas. [23] Las temperaturas de cambio de fase del MSF oscilan entre 80 y 120 ° C, entre 40 y 100 ° C para VC y entre 50 y 90 ° C para el método MED. [16] [22] El flash multietapa (MSF) requiere que el agua de mar viaje a través de una serie de reactores de vacío mantenidos a presiones sucesivamente más bajas. [18] 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 recoge y se condensa para producir agua dulce. [18] En la destilación multiefecto (MED) , el agua de mar fluye a través de recipientes de baja presión sucesivamente y reutiliza el calor latente para evaporar el agua de mar para la condensación. [18] La desalinización MED requiere menos energía que la MSF debido a una mayor eficiencia en las tasas de transferencia termodinámica. [18] [22]
Directo
Los métodos directos utilizan energía térmica para vaporizar el agua de mar como parte de una separación de 2 fases. Dichos métodos son relativamente simples y requieren poco espacio, por lo que normalmente se usan en sistemas pequeños. Sin embargo, tienen una baja tasa de producción debido a la baja temperatura y presión de operación, por lo que son apropiadas para sistemas que rinden 200 m 3 / día. [24]
Efecto simple
Esto usa el mismo proceso que la lluvia. Una tapa transparente encierra una olla donde se coloca agua salina. Este último atrapa la energía solar, evaporando el agua de 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 alcanza valores de 4-5 L / m 2 / día y una eficiencia del 30-40%. [25] La eficiencia se puede mejorar al 45% utilizando una pendiente doble o un condensador adicional. [26]
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.
Un alambique de difusión está compuesto por un acumulador de calor acoplado a un colector solar y la unidad de destilación. El calentamiento se produce por la difusión térmica entre ellos.
El aumento de la temperatura interna utilizando una fuente de energía externa puede mejorar la productividad.
Multifásico indirecto
Destilación flash multietapa (MSF)
La destilación instantánea en múltiples etapas se usa ampliamente. En 2009, representó aproximadamente el 45% de la capacidad mundial de desalinización y el 93% de los sistemas térmicos. [2]
En Margarita de Savoya, Italia, una planta 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 cilindro-parabólicos para proporcionar energía solar térmica para producir 100 m 3 de agua dulce al día. [7] Y en el norte de China, una operación no tripulada, automática y experimental utiliza 80 m 2 de colectores solares de tubo de vacío junto con una turbina eólica de 1 kW (para accionar varias bombas pequeñas) para producir 0,8 m 3 / día. [27]
La destilación solar de MSF tiene una capacidad de producción de 6 a 60 L / m 2 / día frente a la producción estándar de 3-4 L / m 2 / día de un destilador solar. [7] MSF experimenta una baja eficiencia durante la puesta en marcha o los períodos de baja energía. Lograr la máxima eficiencia requiere caídas de presión controladas en cada etapa y un aporte de energía constante. Como resultado, las aplicaciones solares requieren algún tipo 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. [28]
Congelación
Aunque solo se ha utilizado en proyectos de demostración, este método indirecto basado en la cristalización del agua salina tiene la ventaja de la baja energía requerida. 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 costo de energía. 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. Aún no se ha comercializado debido al costo y las dificultades con los sistemas de refrigeración.
La forma más estudiada de utilizar este proceso es la congelación frigorífica. Se usa 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 de energía solar: la unidad construida en Arabia Saudita por Chicago Bridge e Iron Inc. a fines de la década de 1980, que fue cerrada por su ineficiencia.
Sin embargo, hay un estudio reciente para el agua subterránea salina [29] 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 de costo competitivo con los de ósmosis inversa.
Problemas con los sistemas térmicos
Los problemas de diseño inherentes a los proyectos de desalinización solar térmica. Primero, la eficiencia del sistema se rige por las tasas de transferencia de masa y calor en competencia durante la evaporación y la condensación. [1]
En segundo lugar, el calor de la 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. Con la mayoría de los alambiques solares, este calor se emite como calor residual.
Soluciones
La recuperación de calor permite reutilizar el mismo aporte de calor, aportando varias veces el agua. [1]
Una solución es reducir la presión dentro del depósito. Esto se puede lograr usando una bomba de vacío y disminuye 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 a 100 ° C (212 ° F). [30]
Humidificación-deshumidificación solar
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) [31] imita el ciclo natural del agua en un período de tiempo más corto destilando agua. La energía térmica produce vapor de agua que se condensa en una cámara separada. En sistemas sofisticados, el calor residual se minimiza al recolectar el calor del vapor de agua en condensación y precalentar la fuente de agua entrante. [32]
Desalación solar monofásica
En la desalinización indirecta, o monofásica, con 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 RO y electrodiálisis (ED). La desalinización monofásica se logra predominantemente con energía fotovoltaica que produce electricidad para impulsar las bombas de ósmosis inversa. Más de 15.000 plantas desaladoras funcionan en todo el mundo. Casi el 70% utiliza RO, lo que produce un 44% de desalinización. [33] Se están desarrollando métodos alternativos que utilizan la captación solar térmica para proporcionar energía mecánica para impulsar la RO.
Osmosis inversa
La RO es el proceso de desalación más común debido a su eficiencia en comparación con los sistemas de desalación térmica, a pesar de la necesidad de un tratamiento previo del agua. [34] Las consideraciones económicas y de fiabilidad son los principales desafíos para mejorar los sistemas de desalinización por ósmosis inversa alimentados por energía fotovoltaica. Sin embargo, la caída de los costos de los paneles fotovoltaicos hace que la desalinización con energía solar sea más factible.
La desalinización por RO con energía solar es común en las plantas de demostración debido a la modularidad y escalabilidad de los sistemas FV y RO. Un análisis económico [35] que exploró una estrategia de optimización [36] de RO 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 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 de la puesta del sol y en días nublados. [37]
Las baterías permiten un funcionamiento continuo. Los estudios han indicado que las operaciones intermitentes pueden aumentar la contaminación biológica. [38]
Las baterías siguen siendo caras y requieren un mantenimiento continuo. Además, almacenar y recuperar energía de la batería reduce la eficiencia. [38]
El costo promedio informado de la desalinización por RO es de 0,56 USD / m 3 . Usando energía renovable, ese costo podría aumentar hasta 16 USD / m 3 . [33] Aunque los costos de las energías renovables son mayores, su uso está aumentando.
Electrodiálisis
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).
En la disfunción eréctil, 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), 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 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 comercialmente adecuada para la desalinización de agua de mar, ya que solo se puede utilizar para agua salobre (TDS <1000 ppm). [33] 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 presentado por las membranas de intercambio. [39]
El proceso ED básico 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, casi eliminando la necesidad de un pretratamiento químico, lo que lo hace económicamente atractivo para el agua salobre. [40]
El uso de los sistemas de DE se inició 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 fotovoltaica en plantas desaladoras se debe a su idoneidad para plantas de pequeña escala. Un ejemplo es Japón, en la isla de Oshima ( Nagasaki ), que opera desde 1986 con 390 paneles fotovoltaicos que producen 10 m 3 / día con sólidos disueltos (TDS) alrededor de 400 ppm. [40]
Ver también
- Planta desaladora de Point Paterson
Referencias
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enlaces externos
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