Científicos de China y el MIT optimizan el proceso de desalinización
jul 2020
Lucas Danieli
Cuando hablamos de escasez de agua hacemos referencia a una serie de problemas concurrentes: la demanda no puede ser completamente satisfecha, por carencias del recurso, por faltas en la infraestructura de suministro o por deficiencias en la calidad misma de agua.
Esencial para la vida humana, lo es también para las actividades que la sustentan, como los procesos industriales y la producción agrícola-ganadera.
En el Informe sobre el Desarrollo de los Recursos Hídricos en el Mundo de UNESCO se señala que el cambio climático pone en riesgo el derecho humano básico del acceso al agua potable y al saneamiento de miles de millones de personas.
El estudio pone de manifiesto números desoladores: 2.200 millones de personas carecen de agua potable y 4.200 millones (55% de la población mundial), carecen de saneamiento adecuado y seguro.
Según un estudio de la Fundación Aquae, cerca de una quinta parte de los países del mundo padecerá recortes agudos en el suministro de agua en 2040. Esas conclusiones coinciden con el análisis realizado por el World Resources Institute (WRI), que investiga los recursos que le quedan al Planeta.
Allí aparece el Oriente Medio como la región más vulnerable. Casi la mitad de los 33 países con gravísimas limitaciones de agua, pertenecen a esa región. Y 9 de ellos son los que podrían sufrir escasez aguda de agua: Bahréin, Kuwait, Palestina, Emiratos Árabes Unidos, Arabia Saudí, Omán y Líbano.
La sobrexplotación de las aguas subterráneas es más aguda e irreversible en los lugares más secos, en tanto el ritmo de recarga por lluvia de sus acuíferos es más esporádica. Y sobrexplotación es mayor precisamente en las regiones más carentes de agua, donde sus habitantes y cultivos dependen de ella para sobrevivir.
OCED señala que para 2050, el aumento de la demanda de agua será de un 55% más que en el año 2000 y que, por tanto, la mitad de la población sufrirá escasez de agua. Incluso antes, en 2025, 1.800 millones de personas vivirán en países o regiones con escasez absoluta de agua.
Otras estimaciones destacan que, como consecuencia del cambio climático, el déficit del recuso podría incrementarse del 40 % al 70 % en 2040 y que países de enorme significación global como Estados Unidos, China e India también es probable que experimenten fuertes restricciones en el suministro de agua en algunas regiones.
El Ogalalla es uno de esos casos. Es un gigantesco reservorio que se extiende por debajo de al menos ocho Estados del oeste de EEUU, que hasta 1940 eran un verdadero desierto. Pero el milagro de las bombas extractores en base a electricidad, permitieron irrigarlo desde entonces con 25 billones de litros y transformarlo en una de las regiones agrarias más productivas del mundo: 40 millones de hectáreas de sorgo, maíz, trigo y algodón.
Pero ya en 2005 los pozos reflejaban descensos de 30 hasta 45 metros en Kansas, Oklahoma y Texas, en el sur del Ogalalla. Cuatro años más tarde, el Instituto Tecnologico de Texas verificó que el acuífero descendía rápidamente entre 30 cms y un metro por año. La dura realidad es que el Ogalalla solo se recarga al ritmo de 1 a 2 cms. por año y que muchos condados de una de las zonas agrícolas más importantes del mundo, deberían afrontar el abandono de la agricultura para 2030-2035.
Una situación similar se vive en China. Tanto la región autónoma de Ningxia, como la provincia de Shandong, en el este del país, podrían enfrentar una severa escasez hídrica. Shandong, una de las mayores productoras de cereales del país, ha sufrido la peor sequía de los últimos 200 años. Naciones Unidas incluye a China como uno de los 13 países que enfrenta la mayor escasez de agua.
El problema se manifiesta por tres causas concurrentes: una es demográfica –el país alberga al 20% de la población mundial–; otra es geográfica –China solo cuenta con el 6% de los recursos hídricos del mundo– y la tercera se vincula al propio éxito del rápido crecimiento chino que ha multiplicado la demanda de agua. De acuerdo con los expertos, la demanda de agua de China llegará a los 818.000 millones de metros cúbicos, pero solo se cuenta con 616.000 millones.
Otros países como Australia, Indonesia, Filipinas, Mongolia, Namibia, Sudáfrica, Botsuana, Perú, Chile y varios del norte de África también enfrentarán a un riesgo elevado de escasez de agua para 2040. Esa situación “de riesgo extremo” se produce cuando los requerimientos de agua alcanzan más del 80 % de sus depósitos disponibles.
Pero el cambio climático no solo altera el aumento de las temperaturas con su secuela de sequías y carencia hídrica, sino que también provoca cambios profundos en los regímenes de precipitaciones. Así, mientras países como Botsuana y Namibia, que ya están lidiando con la escasez, verán empeorar dramáticamente su situación, otros como Chile, que hoy vive una prolongada sequía, verán incrementarse sus lluvias extremas para 2040, con las consiguientes inundaciones.
Ello impone instrumentar urgentes acciones para mantener un suministro de agua que atienda la demanda humana y permita la continuidad de las actividades agrícolas e industriales, que insumen 70% y 20% del agua global, respectivamente. Cultivos más resistentes a la sequía, restricciones al uso descontrolado, control de la contaminación de las fuentes disponibles, aprovechamiento de las nuevas tecnologías para un uso más eficiente y limitación de las fugas, etc., entre otras técnicas, podrían aliviar el desafío del agua.
Por lo tanto, es imperioso buscar soluciones urgentes. Dentro de éstas, la desalinización se presenta como la tecnología más viable y segura para aportar agua al ciclo hidrológico y de consumo.
La desalinización como alternativa
Nuestro Planeta es azul porque el 71% de su superficie está cubierta por agua pero el 96,5% de ese enorme recurso disponible es agua salada, por lo tanto no apta para el consumo humano ni para el regadío.
A esa situación estructural se ha sumado en las últimas décadas, un crecimiento vertiginoso de la población mundial y un uso creciente de agua en los procesos de industrialización. Ambos fenómenos han disparado una brutal contaminación de las fuentes disponibles, a lo que se ha sumado el cambio climático, reduciendo la disponibilidad de agua potable en muchos lugares del Planeta.
Apelar a la desalinización del agua del mar podía parecer la solución perfecta. Pero hasta ahora, este proceso no resultaba una alternativa eficaz. El alto coste de la construcción de este tipo de plantas, el enorme gasto energético que implica y el elevado nivel de residuos que generan, ha hecho que la desalinización no resultara la solución esperable.
Aún así, muchos países que tenían escasez aguda de agua y contaban con los recursos económicos y energéticos necesarios para desarrollar estas tecnologías, avanzaron en la instalación de plantas desalinizadoras en sus territorios. Es el caso de algunos países del norte de África y de enclaves petroleros del Golfo Pérsico (Arabia Saudita, Emiratos Árabes, Kuwait y Catar) que poseen un tercio de las 16.000 plantas que existen.
Los principales países con plantas de desalinización son Arabia Saudita (17% de la producción mundial), Emiratos Árabes Unidos (13,4%) y EEUU (13%). El 70% de las plantas se encuentran en países ricos y el 0,1% en los 100 más pobres.
Para abastecer de agua a 300.000 personas durante un día, una planta como la de Carlsbad, en California –según la Fundación Aquae– necesita la misma electricidad que se requiere para abastecer a unos 40.000 hogares durante un año.
Las plantas de desalinización en todo el mundo consumen más de 200 millones de kilovatios/hora cada día, lo que tiene un enorme impacto ambiental. Por tanto, solucionar la carencia de agua implicaba, con el actual sistema, agravar la ya dramática situación de calentamiento global.
A ello hay que agregar un problema conexo: las plantas generan un enorme volumen de salmuera. Esta acción era inherente a toda planta desalinizadora cualquiera fuera la técnica utilizada y por tanto, se convierte en un residuo muy contaminante, como lo asegura Manzoor Qadir, Subdirector, Programa de Agua y Desarrollo Humano de la Universidad de las Naciones Unidas.
Según un informe de dicha Universidad, cada día, las desalinizadoras generan 141,5 millones de m3 de salmuera en el mundo, es decir unos 51.700 millones de m3, una verdadera monstruosidad. Lo que supone que para producir un litro de agua potable, acumulan 1,5 litros de salmuera.
Las plantas próximas al mar suelen devolver ese sobrante a los océanos, lo que implica un aporte extra de sal al agua marina. Solo cuatro países del Golfo Pérsico (Arabia Saudita, Emiratos Árabes, Kuwait y Catar) producen más de la mitad de la salmuera, que arrojan directamente al mar.
Las salmueras, tras su vertido en el mar, generan cambios considerables en los ecosistemas marinos e impactan negativamente en aquellos organismos incapaces de tolerar una fuerte variación en la salinidad.
Esos inconvenientes han empujado desde hace tiempo a la comunidad científica internacional a buscar nuevas soluciones para convertir el agua del mar en apta para el consumo humano y los cultivos. Una apuesta sostenible han sido las desalinizadoras solares que se han desarrollado en algunas regiones con carencia de agua, falta de acceso a los combustibles fósiles necesarios para generar la energía que transforme el agua salada en potable.
Es el caso de experiencias como las que Give Power que puso en marcha una planta solar en Kenia, que aseguran que tiene un impacto medioambiental negativo porque no produce sustancias contaminantes.
La solución del MIT
Pero un avance significativo parece venir de la mano de un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts, el célebre MIT y de la Universidad Shanghai Jiao Tong (Shanghai, China) que han avanzado en el desarrollo de una desalinizadora solar completamente pasiva, que no requiere la utilización de combustible fósil y de energías no renovables.
Se trata de un sistema que logra un nuevo nivel de eficiencia en el aprovechamiento de la luz solar para producir agua potable a partir del agua de mar. Podría proporcionar más de 6 litros de agua potable por hora por cada metro cuadrado de área de recolección solar. Tales sistemas podrían potencialmente servir a zonas costeras áridas fuera de la red para proporcionar una fuente de agua eficiente y de bajo costo.
Según Evelyn N. Wang, jefa del departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, que lideró la investigación, lo producido es más del doble de la cantidad récord producida previamente por cualquier sistema de desalinización pasivo por energía solar.
El avance fue publicado en la revista Energy and Environmental Science y es el resultado del trabajo de Lenan Zhang, Lin Zhao, Zhenyuan Xu, estudiantes de doctorado y posdoc en el MIT, junto a otros colegas.
Lo innovador de este dispositivo es el funcionamiento de cada una de las múltiples etapas que posee para desalinizar el agua. El calor liberado en la etapa anterior no se desperdicia, sino que es aprovechado, de esta forma logra una eficiencia general del 385% al convertir la energía de la luz solar en energía de evaporación del agua. En los desalinizadores convencionales, el calor producido es liberado y perdido en el ambiente.
Para Lenan Zhang, coautor del trabajo, con más etapas de desalinización y una mayor optimización, este sistema podría alcanzar niveles de eficiencia general de hasta 700 u 800%.
Un segundo elemento innovador es que este dispositivo no acumula sal ni salmueras concentradas, ya que la sal extraída durante el día retorna al mar por la noche a través del material absorbente.
Otro de los avances destacados por el grupo investigador es que el dispositivo podría ser construido con materiales de bajo costo y fácilmente disponibles ya que puede utilizar cualquier material disponible en el mercado que pueda absorber luz solar, a diferencia de otros sistemas que requieren componentes muy especializados y costosos.
La posible producción masiva de este sistema podría significar un cambio en la vida de quienes viven en zonas costeras con mucho sol y agua de mar, y altos requerimientos de agua potable, ya que una instalación suficientemente grande para atender necesidades en una casa familiar podría construirse por unos u$s 100, mientras los desalinizadores existentes hoy en el mercado se sitúan entre los 7.000 y 10.000 dólares.
Los investigadores planean continuar optimizando la elección de materiales y configuraciones, probar la durabilidad del sistema en condiciones reales y traducir el diseño de laboratorio en algo adecuado para el uso de los consumidores.
La buena noticia es que este avance constituye una esperanza para enfrentar el desafío de la escasez de agua en países pobres donde la electricidad confiable y accesible es escasa pero donde el agua de mar y la luz solar son abundantes.
La mayor eficiencia en la condensación lograda por el equipo de Wang mejora los resultados de la energía solar de forma extraordinaria, lo que permitirá reducir el costo del agua que se produzca.
En el último COP 25 (2019), la Global Clean Water Desalination Alliance sostuvo la necesidad de lograr descarbonizar la industria de la desalinización y hacerla más accesible para todos. Es el camino que han abierto ahora los investigadores de la Universidad Shanghai Jiao Tong y el MIT.