Enlaces especial: agua

Julián Blanco Gálvez(*); Eduardo Zarza Moya; Manuel Blanco Muriel

CIEMAT-Plataforma Solar de Almería; Apdo. 22, 04200 Tabernas, Almería;

julian.blanco@psa.es

(*)Miembro y socio de honor del club UNESCO de Pechina

En la actualidad ya nadie discute que se debe de compatibilizar el avance de las actividades industriales con la preservación de la salud humana y la conservación del medio ambiente. El concepto de tecnología limpia seguramente adquiere una de sus máximas expresiones cuando hace referencia a la utilización de energías renovables. La utilización de las energías renovables en sus diversas formas empieza a considerarse como una opción atractiva para la producción de energía eléctrica tanto para los productores como para los consumidores. Especialmente atractiva resulta, a pequeña y a mediana escala, en zonas donde coinciden la disponibilidad tecnológica, el recurso renovable (sol, viento, biomasa, etc.) y la demanda y estructura eléctrica. Este importante paso se está realizando debido a que se ha demostrado que, en muchos casos, los sistemas de utilización de las energías renovables resultan técnicamente viables, razonables desde un punto de vista económico y, tarde o temprano, inevitables desde un punto de vista medioambiental. En ese sentido resulta sorprendente el gran desconocimiento existente, incluso en los círculos relacionados con las renovables, de las aplicaciones solares existentes y de sus perspectivas tanto para la producción de electricidad como para otras aplicaciones.

Todas las fuentes de energía de nuestro planeta tienen en su origen primario al Sol, existiendo hoy día un claro consenso a escala mundial respecto a la necesidad de sustituir a largo plazo las fuentes de energía fósil, que se produjeron hace millones de años y que hoy simplemente se consumen, por otras que tengan un carácter de inagotabilidad o renovabilidad. Si bien es cierto que esto aún se ve con una relativa lejanía, la concienciación en los últimos años de la agotabilidad del medio ambiente está imponiendo el hecho de que esa lejanía no puede ser tal si se quiere alcanzar el concepto del desarrollo sostenible, concepto que se está abriendo paso de una forma imparable en los últimos años; es en este aspecto donde las distintas tecnologías solares en general tiene un campo de aplicación y utilidad a corto plazo. El desarrollo hacia sistemas energéticos globales basados en energías renovables requiere el reemplazo de los combustibles fósiles por otros que tengan en su fuente las energías renovables y en la energía solar en particular. A continuación se describen algunas de las iniciativas que la Plataforma Solar de Almería está desarrollando con este objetivo.

La desalinización de agua de mar es un ejemplo típico de confluencia de existencia de una necesidad por un lado y la existencia del recurso renovable por otro; un ejemplo claro de esto se tiene en el área Mediterránea en la que la afluencia turística en verano, época de mayor disponibilidad del recurso solar, tiene como consecuencia una mayor necesidad de suministro de agua. Básicamente el proceso desalador se puede llevar a cabo utilizando bien técnicas de membrana o bien técnicas de evaporación. Las primeras requieren energía mecánica para llevar a cabo el proceso mientras que las segundas requieren fundamentalmente energía térmica, siendo estas las más adecuadas y con mayor competitividad económica para la utilización de la energía solar. Estos sistemas son básicamente de dos tipos:

Sistemas en los que el equipo desalador y el colector de energía solar están integrados: son sistemas de tipo SOLAR STILLS, cuyo principal inconveniente es su baja eficiencia, requiriendo, en consecuencia, una gran superficie específica para llevar a cabo el proceso desalador, lo cual genera costes muy elevados de mantenimiento en instalaciones de medio y gran tamaño que los hace en estas escalas poco competitivos.

Sistemas convencionales convenientemente modificados para ser integrados en una instalación solar. De ellos, los procesos ME (multiefecto), son los que presentan mayor interés y potencialidad de integración en un proceso solar dada su eficiencia, flexibilidad y mínimo consumo de energía mecánica.

Un SOLAR STILL consiste básicamente en un estanque o piscina en la que se almacena el agua salobre que se quiere desalinizar. Este estanque o piscina se cubre con plástico, vidrio u otro material transparente, dándole una pequeña inclinación a dicha cubierta a modo de un tejado clásico. Por efecto de la radicación solar, la temperatura interior que se alcanza en la zona comprendida entre la superficie del estanque y la cubierta transparente es elevada y provoca la evaporación de una pequeña cantidad del agua del estanque. Este vapor de agua se condensa sobre la superficie interna de la cubierta y cae a los canales de recogida por efecto de la pendiente. Estos sistemas de desalación se basan en el "efecto invernadero", siendo la producción de agua desalinizada muy pequeña (~ 4 l/m² durante un día claro).

El otro tipo de sistema, denominado M.E.D. (Multi Effect Distillation), realiza la desalación mediante sucesivas evaporaciones y condensaciones realizadas en cascada, lo que permite aumentar el rendimiento térmico total de la instalación. Este tipo de instalaciones resultan adecuadas para producciones diarias medias y grandes. En la Plataforma Solar se ha realizado un proyecto de desarrollo tecnológico de esta última opción, cuyo objetivo era el diseño optimizado de un sistema desalinizador solar térmico y el análisis de la competitividad de dicho sistema. Para ello se instaló (1988-1990) un sistema desalinizador convencional tipo MED (múltiple efecto) con 14 etapas con temperatura nominal de operación T=70ºC; este sistema fue conectado al campo de colectores ACUREX de la Plataforma Solar de Almería tras las necesarias modificaciones en el diseño y operación de ambos sistemas para lograr una optimización del sistema desalinizador solar en su conjunto.

En una primera fase (1991-92) se analizó el comportamiento termodinámico de la planta desalinizadora y del sistema solar bajo diversas condiciones de operación, con el fin de obtener datos experimentales para realizar un modelizado y optimización del sistema. Posteriormente, en una segunda fase (1993-94), se diseñaron y evaluaron los sistemas y componentes necesarios para aumentar la eficiencia y competitividad del sistema solar de desalinización. De entre las opciones analizadas, se decidió proceder a la modificación del equipo de vacío y a la instalación de una bomba de calor de doble efecto, funcionando con una disolución de BrLi/agua.

La modificación del sistema inicial de vacío (hidroeyectores) por uno basado en eyectores de vapor permitió reducir en más de un 50% el consumo eléctrico específico del sistema de desalinización. Sin embargo, la contribución más notable a la mejora de la eficiencia global del sistema vino a través del diseño y construcción de un prototipo de bomba de calor de doble efecto, funcionado bajo un ciclo de absorción, con un C.O.P. de 2,2. Esta bomba de calor aprovecha la energía térmica que se desperdicia en el condensador de la planta desalinizadora, reduciendo así el consumo energético de la misma en más de un 50%; esta bomba trabaja acoplada a la primera etapa y al condensador final de la planta desalinizadora y aprovecha la energía térmica que inicialmente se desperdiciaba en el condensador a través del agua de refrigeración. El ciclo de absorción usado es un ciclo de doble efecto, que utiliza el par H₂O-BrLi como fluido de trabajo, suministrando 200 kw a 65ºC y 0,25 atm (110 kw recuperados del condensador y 90 kw aportados por el sistema solar). Este prototipo supuso un avance muy importante en la consecución de los objetivos planteados al ponerse en marcha el presente proyecto de desalinización mediante energía solar. En la figura 1 puede apreciarse un esquema de la instalación existente en la PSA. Desde el punto de vista operativo, es importante resaltar que el sistema no ha presentado ningún problema desde su instalación, habiendo mostrado un buen comportamiento y una muy alta fiabilidad; igualmente, el acople del sistema solar con la planta desalinizadora no ha presentado ningún requerimiento especial.

El coste de destilado producido con el sistema instalado en una primera instancia era de unas 700 pts/m³; en este coste se incluyen tanto el debido a la Planta Desalinizadora convencional, como el correspondiente al campo de colectores y al sistema de almacenamiento térmico. Con las mejoras que se han implementado se puede alcanzar un coste situado entre las 300 y 400 pts, lo que supone un abaratamiento notable. Este coste situaría a los sistemas solares de desalinización mediante plantas MED y de una escala adecuada, cerca de los sistemas que actualmente resultan más económicos. En este sentido, hay que reconocer que el coste de estos sistemas es aún superior al de las plantas convencionales de ósmosis inversa que funcionan con electricidad, pero se ha de tener presente que en esta comparación no tiene en cuenta las ventajas medioambientales de la energía solar, que es una energía limpia que no degrada el medio ambiente. El uso de las energías renovables se hará más rentable conforme se vaya tomando conciencia a nivel mundial el impacto medioambiental tan negativo que producen las energías convencionales y que, tarde o temprano, supondrá un coste económico muy significativo.

Las aplicaciones químicas en particular pueden considerarse ya lo suficientemente maduras para su incorporación a procesos industriales existentes y contribuir, con una tecnología de marcado carácter medioambiental, a solucionar problemas medioambientales generados por otras tecnologías. Un ejemplo de ello lo constituye el proceso de Detoxificación Solar para la mineralización de contaminantes persistentes disueltos en agua. Este proceso se basa en la interacción de la radiación solar ultravioleta con las partículas de un semiconductor (dióxido de titanio -TiO₂-, producto no tóxico, abundante y barato), que da lugar a la generación de radicales hidroxilo (OH^o); estos radicales tienen un elevado potencial de oxidación y atacan cualquier sustancia orgánica que se encuentre en el medio, dando lugar a un proceso cuyo resultado es una progresiva ruptura de enlaces hasta concluir en compuestos como el dióxido de carbono y el agua. Como resultado se tiene una reacción de fotocatálisis con un elevado potencial de aplicación en la destrucción industrial de compuestos orgánicos tóxicos presentes en agua utilizando únicamente el sol para ello.

La degradación para la gran mayoría de contaminantes es muy similar, variando únicamente el tiempo de exposición necesario en función de la diferente resistencia a la degradación de cada sustancia. En el caso de compuestos halogenados derivados de alcanos, alquenos, ácidos carboxílicos y sustancias aromáticas en general la estequiometría de degradación es la siguiente: C_nH_mO_zX_y + x O₂ à n CO₂ + y HX + w H₂O. Es de resaltar el hecho de que la mayoría de procesos alternativos de tratamiento existentes, como el "air-stripping" o absorción en carbón activo, no constituyen ningún tratamiento "real" en sí, sino que su objeto es eliminar los contaminantes presentes en un determinado medio para transferirlos a otro. La tecnología para llevar a cabo el proceso es además muy simple y se basa en colectores térmicos convencionales, modificados únicamente para optimizar la eficiencia óptica en la captación de la radiación solar UV. De la experiencia obtenida en la PSA, los reactores estáticos (sin mecanismo de seguimiento solar) basados en colectores estáticos tipo cilindro-parabólico compuestos (CPC’s), han dado un resultado óptimo por su sencillez, simplicidad y bajo coste. La PSA está desarrollando en la actualidad un programa de Investigación y Desarrollo en este tema, tratamiento solar de aguas, con la ayuda económica de la U.E. y en colaboración con diferentes Instituciones y empresas tanto Nacionales como Europeas, para el desarrollo de la tecnología necesaria para la aplicación del proceso al tratamiento de contaminantes industriales.

Una de las aplicaciones de esta tecnología podría encontrarse precisamente en una problemática específica de la agricultura intensiva Almeriense. La agricultura intensiva es una actividad muy importante para el sector económico de Almería (más del 40% del Producto Provincial Bruto). En la actualidad, hay más de 35.000 hectáreas de invernaderos en la provincia de Almería, debido a la continua expansión y a su complejidad el sector está dando lugar a la generación de una serie de problemas medioambientales asociados, uno de estos problemas es el derivado de la amplia utilización de productos fitosanitarios insecticidas. En Almería se consumen anualmente unas 5.200 Toneladas de productos químicos fitosanitarios que generan aprox. 1.5 millones de botellas de 1.9 l de volumen medio, una vez usados, estos envases vacíos, en su inmensa mayoría de plástico, entran dentro de la catalogación de residuo tóxico y peligroso por lo que deben recibir un tratamiento específico.

Para solucionar el problema medioambiental, se pretende llevar a cabo la implementación en la provincia de un proceso de recogida selectiva, tratamiento y reciclado de dichos envases, paralelamente al establecimiento de unas directrices al efecto para el agricultor. El proceso de tratamiento requiere un lavado industrial de las botellas de plástico posterior a su trituración esto produce agua contaminada con algunos cientos de ppm de compuestos tóxicos persistente, como el agua debe ser reciclada y usada de forma continua, los contaminantes deben ser tratados, hasta el momento no existe un tratamiento convencional viable, por eso surge este proyecto que se propone para su realización en tres fases: 1) Demostración de la viabilidad de degradación de contaminantes (instalación experimental de la Plataforma Solar); 2) Instalación de una pequeña planta piloto in situ para ensayo del proceso completo; 3) Instalación completa de la planta y operación rutinaria de la misma (figura 2).

Las conclusiones principales obtenidas tras la primera de estas fases, han sido las siguientes: a) Los valores de degradación obtenidos fueron desde 0.55 a 1.13 mg/l. min para los distintos plaguicidas y 0.99 mg/l.min para la mezcla (con diferentes condiciones de radiación solar); b) de los análisis realizados, el contenido medio de residuos de TOC contenido en una botella de plaguicida vacía es entre 0.1 y 0.7 gr. c) estimando un tratamiento anual de 750.000 botellas y una media de 0.5 gr de residuo por botella, la planta tendrá que tratar 375 kg de compuestos fitosanitarios; d) considerando un valor final conservador de 0.3 mg/l.min y 2,500 horas útiles anuales de operación de CPC, será necesario un campo solar de 300 m² .

Los ensayos de detoxificación solar se han realizado siguiendo la siguiente hipótesis: a) el agua del proceso de lavado estará más diluida que la utilizada en el uso normal con el pesticida (200 a 300 ppm); b) los productos seleccionados se consideran completamente representativos de todos los existentes (más de 300); c) por cada producto se genera la misma cantidad de botellas con .la misma cantidad de residuos. Del trabajo y experiencias realizadas en la Plataforma Solar de Almería se ha demostrado la viabilidad técnica y económica del proyecto, constituyendo el proceso de Detoxificación Solar una solución viable, económica y apropiada para el tratamiento y reutilización de aguas contaminadas por pesticidas y plaguicidas procedentes de actividades agrícolas en general. Este tema es objeto de un trabajo específico en este Encuentro Medioambiental Almeriense.

Blanco, J., Malato, S.; Richter C.; "Aplicaciones Químicas de la Radiación Solar: Technologías Medio Ambientales para Problemas Medio Ambientales". World Energy Council. III Congreso Nacional de Energía. Universidad de La Serena, La Serena, Chile, 17-19 de abril, 1996.

Blanco, J., Malato, S.; Richter C.; "Solar Photocatalytic Technology to the Treatment of Water Contaminants from the Agriculture Activity in the Mediterranean Area". Mediterranean Conference on Renewable Sources for Water Production. EURORED Network. Santorini, Grecia. 10-12 de junio, 1996.

Zarza, E.; Rodriguez, J.A.; "Utilización de Energías Alternativas en la Desalación de Agua de Mar". IV Symposium sobre el agua en Andalucía. Almería, 16-20 de Diciembre, 1996