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Escasez de agua
El agua constituye el 75% de la superficie de la Tierra. El noventa y siete por ciento de estos desechos se encuentran en los océanos, que son agua salada. Esto deja sólo el 3% del agua dulce apta para el consumo humano, que se encuentra en aguas subterráneas, ríos y lagos. En realidad, menos del 1% está al alcance del ser humano. Esto significa que los recursos de agua dulce disponibles son limitados y se están agotando cada vez más a un ritmo rápido. La Tierra tiene reservas de agua dulce bajo su superficie, pero es demasiado profunda para acceder a ellas de manera económicamente eficiente. La escasez de agua es un problema mundial. En 2005, 2.800 millones de personas vivían en zonas sometidas a una grave escasez de agua. Para 2030, la Perspectiva Ambiental de la OCDE estima que esta cifra aumentará en alrededor de mil millones, lo que significa que alrededor de 3.900 millones de personas tendrán dificultades para conseguir agua. Esto sería el 47% de la población (Khawaji, 2008).
Muchas regiones áridas y semiáridas sufren escasez de agua. Otro problema es que se causan daños si las tasas de extracción de agua exceden las tasas de renovación natural, lo que lleva al agotamiento de la salinización del agua y a la desertificación de la tierra.
En el futuro se necesitarán cantidades cada vez mayores de agua dulce a medida que aumente la población y aumenten los niveles de vida. Por eso tecnologías como la desalinización están adquiriendo importancia para muchos países, como los Emiratos Árabes Unidos. Si observamos la planta Jebel Ali en Dubai, que acaba de abrir su estación M, veremos cuán importante es la desalinización sostenible.
Historia de Dubái
A diferencia de las ciudades occidentales, Dubai pasó de la etapa preindustrial a la industrial y luego a la postindustrial en sólo 50 años, en lugar de más de un siglo. Pasó de ser un asentamiento pesquero en el Golfo Pérsico a ser una ciudad dominante del siglo XXI. Es vista como una de las ciudades más exitosas de la década de 1990, medida por su crecimiento económico y actividad inmobiliaria. El desempleo actual es bajo, alrededor del 5%. El PIB per cápita es más de cinco veces el de su vecino más grande. El PIB per cápita supera con creces el de otros estados de la región. Tiene un máximo de alrededor de cinco millones de visitantes anuales, más que Egipto o la India. La industria de las perlas fue la base económica durante la mayor parte del siglo XIX (Pacione, 2005).
La ciudad tuvo un impulso económico en 1902 cuando Persia impuso altos derechos de aduana a los comerciantes que operaban desde sus puertos. Esto creó una transferencia del comercio indio junto con los comerciantes, artesanos y sus familias a los puertos de Dubai. Las primeras décadas del siglo XX, siendo el centro de distribución clave para el comercio con el interior, también se convirtió en el principal puerto donde se reexportaban mercancías de la India a Persia y los países vecinos.
Following the discovery of petroleum offshore in 1966, the development of the ore industry revolutionized the economy and society of Dubai. Oil revenues enabled government to undertake major infrastructure and industrial projects, like the construction of Port Rashid, the dry dock, an aluminum smelter, and the Jebel Ali port and industrial area. In addition, the local merchant community was very important because many had connections to international contacts (Pacione, 2005).
Urban development had four major phases in Dubai: 1900-1955, 1956-1970, 1971-1980, 1980-Present. Rapid population growth:1833: 1,5001900: 10,0001968: 59,0001985: 370,7881995: 689,4202000: 862,387 53% born abroad2002: 961,000 Source: Pacione, 2005
Dubai had two major reasons for such rapid growth. First is immigration. The economic expansion based on oil industry created demand for labor and expertise that could only be satisfied from abroad. The second was a natural increase. The city began to have higher fertility rates and a decrease in infant mortality rates, and in addition, an increase in life expectancy due to modern health care. Currently, it is facing the challenge of providing adequate infrastructure and services to rapidly growing city. (Pacione, 2005)
Desalination
Global water consumption levels have increased dramatically over the past century. Many places, like the Middle East and North Africa are having challenges of exceeding the limits of renewable water resources. Fortunately, costs of desalination and its energy intensity have been reduced over past decades. Desalinated water is the main source of potable water in the Middle East.
Currently, the global capacity is about 32 million m3, with more than 15,000 desalination plants. This is sufficient to supply about 160 million people (Schiffler, 2004). A hot spot of intense desalination has been the Arabian Gulf, but has spread to the Mediterranean Sea, Red Sea, California, China, and Australia. Seventy-seven percent of desalination plants are in the Middle East and North Africa. Followed by Europe with 10%, the Americas with 7%, and the Asia-Pacific with 6% of the plants. The Arabian Gulf has capacity of 11 million m3/day. The main producers in the Gulf are United Arab Emirates, Saudi Arabia, and Kuwait. In the Mediterranean, Spain is largest in the region with 7% of worldwide capacity. The Red Sea makes 14% of worldwide capacity which is 3.4 million m3/day. Looking in the future, worldwide desalination is increasing at a rapid pace (Lattemann, 2008).
La desalinización no es sólo para el agua de mar. Las tendencias actuales muestran que para el proceso de desalinización la fuente de agua suele ser agua de mar con un 58% de la producción. El agua salobre constituye el 22% del agua de origen desalinizada y el 5% son aguas residuales. El agua desalinizada es una excelente fuente de agua para procesos industriales que necesitan agua de alta calidad. El agua desalinizada para riego es menos común pero puede aumentar significativamente. Actualmente, esto sólo es viable si se cultivan cultivos de alto valor (Schiffler, 2004).
El coste del agua desalinizada es uno de los factores más importantes. El ochenta por ciento de los costos de la desalinización proviene del consumo de energía y los costos de inversión. El consumo de energía depende del diseño del proceso, tipo de membrana, sistema de recuperación de energía, calidad del agua desalinizada, sistemas de eliminación de aguas residuales y sistemas de bombeo para el bombeo (Lapuente, 2012). En teoría, alrededor de 0,7 kWh/m3 es la energía mínima necesaria para obtener agua dulce a partir de agua de mar. En realidad, oscila entre 3 y 15 kWh/m3. Muchos países que utilizan la desalinización tienen importantes fuentes internas de energía fósil, por lo que las fuentes de energía no son un problema (Schiffler, 2004).
Los costos de inversión son los costos de puesta en marcha, incluidos los costos de terreno, construcción e infraestructura necesarios para que la planta esté operativa. El costo financiero promedio de la desalinización es de 0,45 a 0,70 dólares EE.UU./m3. En los países áridos, el costo del agua procedente de fuentes convencionales distantes, como las represas, suele ser cercano o superior al de la desalinización. Otra mejora de costes para la desalinización es la vida útil de las plantas. La vida útil de las plantas ha aumentado. Anteriormente, la vida útil de las plantas era de menos de 15 años. Ahora son unos 20-25 años (Schiffler, 2004).
Muchas tecnologías de desalinización se desarrollaron en las últimas décadas para ayudar a suministrar agua dulce. El proceso de desalinización de agua de mar separa el agua de mar salina en 2 corrientes: una corriente de agua dulce que contiene una baja concentración de sales disueltas y una corriente de salmuera concentrada. El agua de mar no es apta para el consumo humano ni para usos industriales y agrícolas. Al eliminar las sales del suministro ilimitado de agua de mar, la desalinización es una fuente importante de agua dulce. Algunos países dependen de tecnologías de desalinización para satisfacer sus necesidades de agua dulce. En Medio Oriente, la desalinización de agua de mar es un recurso de agua dulce vital y confiable en países como Arabia Saudita, Emiratos Árabes Unidos y Kuwait (Khawaji, 2008).
Los procesos de desalinización son procesos térmicos, de destilación y de membrana. Algunas de las tecnologías más importantes son la flash de múltiples etapas, la ósmosis inversa y la destilación de efectos múltiples. La mayoría de las plantas nuevas utilizan tecnologías de membranas, especialmente la ósmosis inversa.
La desalinización ayuda a reducir la presión sobre los recursos hídricos convencionales y alivia la presión sobre las masas de agua sobreexplotadas. Además, el agua desalinizada está libre de patógenos, lo que puede resultar útil para algunos países en desarrollo. En realidad, es necesario remineralizar el agua antes de beberla (Schiffler, 2004).
Controversia
La desalinización es una tecnología controvertida. Ha tenido problemas ambientales y de salud. Estos problemas se han reducido gracias al progreso tecnológico. Aún persisten muchos impactos, especialmente durante la fase de operación de las plantas. Uno de los mayores problemas medioambientales es el vertido de salmuera, que es un subproducto de la desalinización. La salmuera es una solución salina concentrada que está caliente y contiene productos químicos. Por lo general, esto se devuelve al mar, lo que puede afectar los ecosistemas costeros o marinos. La salmuera caliente puede cambiar la temperatura del agua, haciendo que el hábitat sea inhabitable para algunas especies. Esto puede cambiar la composición de la biodiversidad (Schiffler, 2004).
El otro impacto clave para el medio ambiente es la emisión de gases de efecto invernadero en la producción de electricidad y vapor necesarios para alimentar las centrales. Es un proceso que consume mucha energía y que puede contaminar el aire.
Otro problema es la ingesta de agua de origen. Básicamente, se colocan grandes tuberías en el océano para recoger agua de mar. Algunas pérdidas de organismos acuáticos que chocan con las pantallas de entrada o son arrastradas hacia las plantas con agua han sido un problema (Lattemann, 2008). Además, son preocupantes el ruido, las perturbaciones visuales, la interferencia con el acceso público y la recreación, y los posibles derrames accidentales de petróleo (Schiffler, 2004).
Los metales pesados son otro problema. Aleaciones de cobre-níquel comúnmente utilizadas como materiales intercambiadores de calor en plantas de destilación. Concentraciones de cobre en la corriente rechazada de 15-100 ug/L. La EPA de EE. UU. recomienda concentrados de cobre de 4,8 ug/L para exposiciones breves y 3,1 ug/L para exposiciones prolongadas. Los antiincrustantes previenen la formación de incrustaciones. Esto en la corriente de rechazo puede causar un problema de eutrofización. Coagulantes para coagulación y filtración de medios. Coloración intensa de las corrientes de rechazo, de color rojo, que puede aumentar la turbidez y reducir la penetración de la luz. También en corrientes de rechazo: agentes antiespumantes, productos químicos de limpieza (Lattemann, 2008).
Las plantas desalinizadoras deberían tomar medidas para mitigar los impactos sobre el medio ambiente. Las tomas de agua de origen utilizan una combinación de diferentes mallas y una baja velocidad de entrada, de modo que evita que los animales sean absorbidos. El uso de energía tiene el potencial de ser un uso de energía renovable. La selección del sitio también es importante. Se deben evitar los ecosistemas y hábitats que sean únicos, estén protegidos, estén en peligro o sean importantes para la alimentación o la reproducción en el área. El sitio debe estar cerca del mar, de las redes de distribución de agua y de los consumidores para evitar la construcción y el uso de la tierra, tuberías y esfuerzos de bombeo para la distribución de agua. Permitir la conexión energética a otras infraestructuras, como carreteras y redes eléctricas (Lattemann, 2008).
Planta Desaladora de Jebel Ali
La estación Jebel Ali M se inauguró oficialmente el 8 de abril de 2013. Es la planta desalinizadora y de energía más grande de los Emiratos Árabes Unidos. La estación M alimentada con gas por valor de 10 mil millones de dirhams se suma a las otras plantas operadas por la Autoridad de Electricidad y Agua de Dubái (Dewa) en Jebel Ali. Tiene una mayor eficiencia, lo que significa que se necesita menos combustible para producir una cantidad determinada de energía. Un recargo en las facturas de electricidad y agua está vinculado al precio que paga Dewa por el combustible que utiliza en las plantas. La eficiencia de las plantas es del 82%, mientras que en Europa la eficiencia es sólo del 45%.
La capacidad de la planta es de 2.060 Mega Watts y 140 millones de galones de agua por día. Tiene seis turbinas de gas que generan energía y los gases de escape calientes se alimentan a través de calderas que calientan el agua de mar para producir vapor. El vapor se utiliza para impulsar turbinas de vapor, produciendo más energía, o se alimenta a través de las ocho unidades de desalinización para producir agua potable. El diseño flexible de la planta significa que la cantidad utilizada para cada propósito se puede ajustar para satisfacer sus demandas. Las unidades de desalinización son las más grandes de su tipo en el mundo. Utilizar el calor residual para producir agua o energía. Las tecnologías avanzadas han reducido las emisiones de gases de efecto invernadero y generan energía y agua con una huella de carbono mínima. La planta fue inaugurada por el jeque Hamdan bin Rashid, vicegobernador de Dubai, ministro de Finanzas y presidente de Dewa.
La estación M costó 2,72 mil millones de dólares. Consta de seis turbinas de gas de 234 megavatios y ocho unidades de desalinización flash de múltiples etapas, cada una de las cuales produce 80.000 m3 por día de agua. Las turbinas de gas pueden quemar diésel; si fallan las líneas principales de gas natural, hay suficiente diésel almacenado en la planta para seguir funcionando durante diez días. La desaladora contratada fue la italiana FISIA
El objetivo de la estación M es aumentar la capacidad de producción de electricidad y agua para satisfacer el crecimiento económico. Enormes tuberías extraen hasta mil millones de galones de agua del Golfo Pérsico al día. Las tuberías que alimentan las otras estaciones de Jebel Ali se extienden un kilómetro mar adentro, pero las de la estación M están justo frente a la costa. Se trata de una precaución para evitar que las operaciones se vean afectadas por derrames de petroleros en el Golfo Arábigo. En caso de un derrame, se colocarían barreras alrededor de las tomas para protegerlas del petróleo flotante y permitir que la estación M continúe operando, mientras que otras plantas tendrían que cerrarse. (Inaugurada oficialmente la estación Jebel Ali M, 2013; Autoridad de Agua y Electricidad de Dubai).
Comparación con otros métodos de desalinización
Flash de múltiples etapas (MSF)
La planta Jebel Ali utiliza tecnología de desalinización Flash multietapa (MSF). Es la tecnología de desalinización térmica más utilizada. Representa el 90% de toda la producción de desalinización térmica. También es la más robusta de todas las tecnologías de desalinización y es capaz de procesar agua a un ritmo muy alto con poco mantenimiento. Es capaz de producir grandes rendimientos de agua desalada. Funciona utilizando de cuatro a cuarenta cámaras, o etapas, cada una con temperatura y presión sucesivamente más bajas, para vaporizar rápidamente el agua, que luego se condensa para formar agua dulce. Funciona a temperaturas máximas de salmuera de 90 a 120 grados Celsius. Los costos de capital y energía son los más altos de todas las tecnologías de desalinización. También requiere una mayor superficie de terreno y materiales, lo que hace que también tenga la mayor huella (Thye, 2010).
La parada forzosa de plantas más grandes, incluso por períodos cortos, crea serios problemas debido a la limitada capacidad de almacenamiento de agua desalada. Se prefiere el sistema MSF debido a su alta disponibilidad. Aunque MSF es conocido por su alto consumo de energía en comparación con otros sistemas, todavía se solicitan y contratan más unidades de MSF en Medio Oriente, especialmente para unidades de gran capacidad (Darwish, 2002).
Ósmosis Inversa (RO)
Otro tipo de tecnología de desalinización es la ósmosis inversa (RO). RO es una tecnología de desalinización por membrana. A nivel mundial, es la tecnología de desalinización más utilizada. Esta es la tecnología de membranas más dominante con el 88% de toda la desalinización por membranas. Durante la OI, el agua salada se bombea a alta presión a través de membranas semipermeables hechas de materiales sintéticos que solo dejan pasar el agua, dejando sales y contaminantes en una salmuera. Está compuesto por cuatro subsistemas: pretratamiento, bomba de alta presión, módulos de membranas y postratamiento. Hay dos tipos diferentes de membranas que se pueden utilizar: enrolladas en espiral o de fibra hueca. La RO está disponible en una amplia gama de capacidades; la planta más grande tiene actualmente una capacidad de 320.000 m3/día. La RO tiene un costo de capital bajo pero costos de mantenimiento significativos debido al alto costo de reemplazo de la membrana. La esperanza de vida de la membrana puede ser de cinco a siete años. La mayor parte de la energía se requiere para impulsar el sistema de bomba de agua de alimentación de alta presión. Los sistemas de RO son vulnerables a los cambios en la calidad del agua de alimentación. También existe el problema de fallas mecánicas debido al funcionamiento a alta presión (Darwish, 2002).
La ósmosis inversa (RO) es el principal competidor de los sistemas MSF. Tiene reducciones de costes e intensidad energética y es fiable. La RO se volvió más atractiva gracias a las continuas mejoras en los materiales de las membranas. Las principales ventajas de RO sobre MSF son: consume menos energía, no es necesario combinar la planta de energía ni interferir con su operación, tiene una operación de encendido y apagado simple, se entrega en módulos, no es necesario apagar toda la planta para emergencias o mantenimiento de rutina (Darwish , 2002).
Destilación de efectos múltiples (MED)
La destilación de efectos múltiples (MED) es una tecnología de desalinización térmica como MSF. Utiliza vapores producidos por ocho a dieciséis cámaras que posteriormente se condensan en destilado en el siguiente grupo de cámaras reduciendo la presión ambiental. Temperatura máxima de 70 grados centígrados. En realidad, esta tecnología fue desarrollada por la industria química. Las unidades generalmente se construyen con capacidades de 600 a 30.000 m3/día. Al igual que el MSF, la tecnología MED tiene importantes costos energéticos (Thye, 2010).
Comparación
Para comparar las tres tecnologías de desalinización, se analizó el costo, el consumo de energía y el potencial de energía renovable. Como muestran los dos gráficos siguientes, la distribución de tecnologías a nivel mundial y dentro de los EAU es diferente. A nivel mundial, la tecnología RO se utiliza principalmente, mientras que en los Emiratos Árabes Unidos se utiliza con mayor frecuencia la tecnología MSF.
Una mirada a otra comparación muestra un resultado similar (Thye, 2010). El costo de RO está entre $ 0,92 y 3,56 por m3, MED entre $ 0,90 y 3,06 y MSF entre $ 1,36 y 4,30. El MSF es el costo total sin inversión más caro y los costos de inversión permiten que sean mayores que los otros dos.
La energía también es un factor a la hora de decidir qué tecnología es la mejor. La energía utiliza una importante cantidad de energía térmica y/o eléctrica. Para un metro cúbico de agua, en una planta de MSF se necesitan entre 55 y 220 kWh de energía térmica y entre 4 y 6 kWh de energía eléctrica. MSF Plants opera a una temperatura media de 112 grados centígrados. MED funciona a temperaturas más bajas de <70 grados Celsius. Un metro cúbico de agua requiere entre 40 y 220 kWh de energía térmica y entre 1,5 y 2,5 kWh de energía eléctrica. La ósmosis inversa no necesita energía térmica y solo utiliza electricidad entre 2,8 y 12 kWh. También funciona a temperaturas más bajas, inferiores a 40 grados Celsius (Lattemann, 2008).
Las energías renovables están adquiriendo cada vez más protagonismo en la energía mundial. Buscar tecnologías que funcionen con energía renovable es importante porque nuestros combustibles fósiles son limitados. Muchos países no quieren depender del petróleo extranjero para abastecer de energía a su país. Un investigador examinó el potencial del uso de energía renovable en las tecnologías de desalinización. RO tiene el mayor potencial como fuente de energía renovable. Puede funcionar tanto con energía eólica como solar. Las tecnologías MSF y MED necesitan energía térmica y la energía solar térmica es la única forma de obtener el calor necesario a partir de una fuente de energía renovable.
Conclusiones
Después de comparar los costos, el uso de energía y el potencial de las energías renovables, la opción más sostenible sería utilizar tecnología de desalinización por ósmosis inversa en lugar de la tecnología flash de múltiples etapas. Además, se observa que la tecnología de MSF domina en los Emiratos Árabes Unidos, lo que probablemente se debe a que su fuente de energía proviene de combustibles fósiles nacionales. A diferencia de muchos países que intentan no depender de combustibles extranjeros, los Emiratos Árabes Unidos continúan utilizando tecnologías de combustibles fósiles porque tienen su propio gran stock. Probablemente por eso siguen utilizando tecnologías de MSF además de su gran capacidad de producción.
La opción más sostenible sería conservar el agua en lugar de desalinizar nuevas fuentes. Esto sería lo mejor, desde el punto de vista económico y medioambiental.
Referencias
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"La estación Jebel Ali M se inauguró oficialmente en Dubai". Desalación y Reutilización del Agua. (9 de abril de 2013). http://www.desalination.biz/news/news_story.asp?id=7018&title=Jebel+Ali+M+Station+oficialmente+abierta+en+Dubai
Khawaji, Akili, Kutubkhanah, Ibrahim, Wie, Jong-Mihn. "Avances en las tecnologías de desalinización de agua de mar". Desalación 221 (2008) 47-69.
Lapuente, Enrique. “Costo total en desalinización. Un estudio de caso de la Cuenca del Río Segura”. Desalación 300 (2012): 40-45
Lattemann, Sabine y Thomas Höpner. "Impacto ambiental y evaluación de impacto de la desalinización de agua de mar". Desalación 220.1 (2008): 1-15.
Mezher, Toufic, Fath, Hassan, Abbas, Zeina, Khaled, Arslan. “Evaluación tecnoeconómica e impactos ambientales de las tecnologías de desalinización”. Desalación 266 (2011): 263-273.
Pacione, Michael. "Dubái." Ciudades 22.3 (2005): 255-265.
Schiffler, Manuel. “Perspectivas y desafíos para la desalinización en el siglo XXI”. Desalación 165 (2004): 1-9.
Simpson, Colin. "La planta desalinizadora y de energía más grande de los EAU se abre en Jebel Ali". El Nacional. (9 de abril de 2013). http://www.thenational.ae/news/uae-news/uae-s-largest-power-and-desalination-plant-opens-at-jebel-ali
Tuyo, Juan. “Desalinización: ¿Puede ser libre de gases de efecto invernadero y con costos competitivos?” Escuela de Estudios Forestales y Ambientales de Yale. 9 de mayo de 2010.
