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Diferentes líneas de investigación en la desalación solar

La coincidencia geográfica de zonas costeras con abundantes recursos solares y déficit de agua dulce ofrece interesantes oportunidades de desarrollo a la desalación solar. Tal es el caso de España, especialmente la mitad sur e Islas Canarias. Las zonas de mayor interés para la aplicación de la desalación solar abarcan también a muchos países en desarrollo, con pequeñas comunidades poco tecnificadas con difícil acceso a una fuente de energía convencional.

Respecto a la aplicación de la energía solar térmica a la desalación de agua de mar, puede utilizarse:

A. Energía solar
Los procesos más eficientes son los procesos industriales de destilación multiefecto, acoplados o no a termocompresores, y los de destilación flas multietapa. Este último proceso es menos eficiente por su mayor consumo eléctrico auxiliar y por presentar mayores consumos de energía térmica que un proceso MED - TC o MED a igual temperatura máxima.  Consumos típicos de plantas modernas MED o MED-TC son: consumo térmico entre 170 kJ/kg. y 230 kJ/kg y consumo eléctrico auxiliar, mayor que 1.8. Este alto consumo auxiliar es hoy día la principal limitación de las tecnologías de destilación.

B. Procesos qee consumirían energía eléctrica o mecánica producida por un ciclo de potencia calentado solarmente. El proceso más eficiente es el de ósmosis inversa. En plantas modernas, el consumo principal para las concentraciones de agua de mar españolas estaría en 2 kWh/m3. El consumo auxiliar es inferior a 1 kWh/m3.

El estado actual de las aplicaciones de desalación con energías renovables ha sido publicado por los autores en diversos artículos. Como primera conclusión se puede establecer que las tecnologías de desalación con renovables más desarrollas son la destilación solar y los sistemas de Ósmosis inversa fotovoltaicos o eolicos. Dentro de las energías renovables, las opciones más económicas son la geotérmica y la eólica. sin embargo, en aplicaciones de desalación, la principal limitación es coincidir en la misma localización la disponibilidad del recurso eólico y la demanda de agua salada. Por tanto, en muchos casos, la aplicación de la energía solar es la única opción, o la opción más conveniente.

Desalación mediante energía solar

En zonas con abundantes recursos solares, la destilación solar y la ósmosis inversa fotovoltaica son las opciones más razonables debido a su amplio desarrollo.  Sin embargo, ambas tecnologías presentan costes similares a partir de cierta capacidad de desalación. Además, estos costes continúan siendo demasiado altos frente a los sistemas de desalación convencionales. La utilización de baterías en la Ósmosis inversa fotovolaica ocasiona residuos tóxicos y algunos problemas de operación en zonas muy cálidas. No obstante, las plantas de Osmosis Inversa tienen importantes ventajas frente a las de destilación: son más económicas, especialmente para pequeñas capacidades. Y además, al ser sistemas modulares, son más fáciles de ampliar  en caso de futuros incrementos de la demanda de agua dulce. A pesar de ello, mientras que todas las opciones de destilación solar han sido estudiadas con cierta profundidad al menos a nivel de plantas piloto, no ocurre lo mismo con los sistemas solares de ósmosis inversa.

Unos criterios para las plantas de desalación de ósmosis inversa, serían:
- Potencia del orden de MW. Para potencias demandadas del orden de MW, deberían usarse plantas termoeléctricas a las que se acoplaría la unidad de ósmosis. Ésta sería la tecnología de desalación solar más eficiente con amplias diferencias respecto a las restantes.
- Potencia del orden de cientos de kW. En demandas de potencias del orden de cientos de kW, la tecnología anterior no será adecuada. En este caso, sería mejor usar discos solares paraboloides con motores Stirling, captadores solares estáticos o de concentración en un eje,o estanques solares de concentración mediante ciclos de Rankine orgánicos.
- Potencias de decenas de kW en zonas poco tecnificadas o aisladas. En general sería recomendable entonces presncindir de la opción solar térmica frente a la fotovoltaica para alimentar un sistema de ósmosis inversa.

Los ciclos Rankine orgánicos alimentados por solar ponds tendría un rendimiento inferior a los sistemas fotovoltaicos y han sido ya utilizados para aplicaciones a destilación. La tecnología de disco solar + Stirling tiene un rendimiento superior a los sistemas fotovoltaicos pero nunca se ha implementado un sistema que alimente a un sistema de ósmosis inversa.

Finalmente, los ciclos Rankine orgánicos alimentados por captadores estáticos o cilindricoparabolicos, dependiendo del captador y del fluido de trabajo del ciclo, ofrecerían o no ventajas en el rendimiento frente a sistemas fotovoltaicos. No se ha realizado ninguna aplicación con captadores de seguimiento solar en un eje -ni utilizando captadores cilindricoparabólicos ni concentradores lineales Fresnel. Tan solo ha habido plantas piloto alimentadas con captadores estáticos, lo que implica un limitado rendimiento. Por tanto, la tecnología de ósmosis inversa mediante energía solar térmica precisa un importante esfuerzo de análisis para poder establecer una comparación más precisa con la destilación solar y la ósmosis fotovoltaica.

En primer lugar, la comparación con los procesos de destilación se establece en base a valores de radiación solar para un día y una hora concretos. En ella se comparan los consumos de la ósmosis inversa alimentada mediante ciclos solares de Rankine orgánicos frente a otras tecnologías de destilación solar. Las tecnologías de desalación consideradas son las siguientes:

- Ósmosis inversa utilizando captadores cilindricoparabolicos mediante un ciclo Rankine solar orgánico.
- MED avanzado, consistente en una unidad MED acoplada a una bomba de calor de adsorción de doble efecto. Cabe señalar que esta tecnología está aún en fase de desarrollo en la Plataforma Solar de Almería.
- MED alimentada mediante captadores cilíndricoparabolicos
- Destilación multiefecto (MED) utilizando captadores de tubos de vacío
- MED alimentada por concentradores parabólicos compuestos

La tecnología más eficiente de destilación solar corresponde a los sistemas MED con bomba de calor de absorción de doble efecto; sin embargo, esta tecnología aún no está comercialmente disponible. Por otra parte, se obtiene la tecnología de ósmosis inversa alimentada por captadores solares cilidricoparabolicos podría ofrecer un consumo de tan sólo el 12% de la mejor tecnología de destilación solar disponible actalmente, los sistemas MED acoplados a captadores cilíndricoparabolicos.

El desarrollo de la tecnología solar térmica de ósmosis inversa está motivado por sus interesantes perspectivas:

- Eficiencia
- Costes: los sistemas de ósmosis son mucho más económicos que los de destilación, especialmente con capacidades reducidas. Además ya se ha justificado el menor consumo de energía solar por kg de agua desalada de los sistemas solares térmicos de OI frente a los de destilación. Por tanto, también en el campo de captadores solares tendríamos un significativo ahorro de inversión. La amplia reducción de costes en los principales componentes supone un considerable potencial de ahorro de inversión que debe compensar ampliamente los costes de los equipos adicionales necesarios en el caso de sistemas solares térmicos de OI. Por otra parte, dado que en el apartado previo se justificó un nivel de costes similar tato para la destilación solar como para los sistemas fotovoltaicos, quedan justificadas las buenas perspectivas económicas de la tecnología analizda frente a las tecnologías competidoras. Se espera por tanto que como resultado del desarrollo de la tecnología, se acorten significativamente las diferencias de costes del agua desalada con energía solar frente al uso de la energía convencional.

- Impacto medioambiental: los análisis de ciclo de vida comparativos sobre sistemas de desalación publicados por investigadores españoles, sitúan a los sistemas de OI como los de menor impacto medioambiental. Esto, unido al hecho de que los sistemas analizados no utilizan baterías, proporciona una perspectiva muy favorable de minimización de impactos medioambientales.

Estas perspectivas, cuantificadas de modo preliminar en el marco de un proyecto de investigación financiado por el Gobierno Autónomo de Canarias, dieron lugar al progresivo desarrollo de la tecnología a través de otros dos proyectos desarrollados en el marco de colaboraciones nacionales e internacionales.

El proyecto Powersol

El proyecto europeo Powersol está centrado en la producción de energía mecánica basada en sistemas solares con ciclos de Rankine orgánicos. El proyecto está parcialmente financiado por la Comisión Europea dentro del programa de cooperación internacional con países mediterráneos.

El principal objetivo del proyecto es el desarrollo de una tecnología de producción de energía mecánica, económicamente competitiva y respetuosa con el medioambiente, basada en la solar térmica y optimizada para cubrir las necesidades básicas en comunidades rurales. La energía mecánica producida podría ser utilizada directamente para la producción de electricidad, utilizando un generador, o para la desalación de agua de mar o salobre mediante el acoplamiento a la bomba de alta presión de un sistema convencional de ósmosis inversa. El proyecto se centra en el desarrollo tecnológico de los ciclos de Rankine orgánicos calentados solarmente para cubrir demandas de entre 100 y 500 kW de potencia. En el proyecto se optimiza el ciclo termodinámico en tres intervalos distintos de temperaturas máximas con el fin de utilizar diversas tecnologías de captadores solares térmicos de media y baja temperatura, en particular, captadores planos, concentradores de segmentos parabólicos y captadores de concentración en un eje. La optimización se basa en la evaluación experimental de prototipos de tres captadores solares de las mencionadas tecnologías y del cicloo de potencia calentado solarmente. Los principales objetivos específicos del proyecto son los siguientes:
1. Selección de los principales parámetros del diseño preliminar del ciclo termodinámico solar para los siguientes intervalos de temperaturas máximas: 80ºC-90ºC, 100ºC - 150ºC y 200-250ºC (selección de fluídos, características del ciclo, condiciones de operación).
2. Desarrollo y construcción de tres prototipos de captadores solares optimizados respectivamente para los citados intervalos de temperaturas máximas utilizando según el caso tecnologías estáticas o de concentración en un eje.
3. Desarrollo y construcción de un prototipo de pequeña potencia para el ciclo de Rankine orgánico.
4. Evaluación experimental de los prototipos de captadores solares y del ciclo de potencia calentado solarmente.
5. Comparación del sistema solar de producción de energía mecánica propuesto, utilizando tres tecnologías distintas de captadores y diferentes capacidades, considerando la operación con respaldo energético y como sistema autónomo.
6. Evaluación técnica de la tecnología desarrollada.
7. Evaluación económica de de la tecnología desarrollada frentea otras tecnologías solares y convencionales.
8. Evaluación del impacto de la tecnología en el desarrollo socioeconómico de comunidades rurales mediterráneas.


Conclusiones

De la comparación de los sistemas solares térmicos de Ósmosis inversa respecto a los de destilación solar, se concluye que aún con el uso de captadores solares estáticos la tecnología de ósmosis inversa mediante solar térmica presenta mayores eficiencias que las tecnologías de destilación. Además, se favorecería enormemente la ósmosis inversa solar térmica a medida que mejore la tecnología de membranas y de recuperación energética en el sistema de desalación.

Dadas las buenas perspectivas de la tecnología solar de ósmosis basada en ciclos de potencia orgánicos en potencias del orden de cientos de kW y dado que no existe ninguna instalación que utilice captadores con seguimiento solar, se establecen diferentes recomendaciones sobre las líneas de investigación a seguir:
- realizar diseños específicos de captadores cilíndricoparabólicos dados los elevados rendimientos alcanzables.
- en el caso anterior, deben desarrollarse diseños distintos pra optimizar la tecnología en países desarrollados y en países en vías de desarrollo. Por ejemplo, en el primer caso utilizando tecnología de producción solar directar de vapor, y en el segundo, tecnología de aceite.
- realizar búsquedas más exhaustivas de fluidos de trabajo.



Según los órdenes de magnitud de las potencias eléctricas o mecánicas precisas para satisfacer las demandas se establecen las siguientes recomendaciones:
-Potencia del orden de MW. Para potencias demandadas del orden de MW, deberían utilizarse plantas solares de generación de electricidad a las que se acoplaría la unidad de ósmosis inversa, que sería la tecnología solar de desalación más eficiente, con amplias diferencias frente a la destilación. Seria muy favorable utilizar un esquema de cogeneración agua-electricidad.
- Potencias de cientos de kW: distinguiremos el caso de zonas tecnificadas o no. En demandas de potencias del orden de cientos de kW, la tecnología anterior no será adecuada porque los rendimientos de las turbinas de vapor se reducen al decrecer la potencia. Sería razonable en este caso utilizar como alimentación de sistema de ósmosis inversa discos paraboloides con motores Stirling, captadores solares de concentración en un eje o solar ponds mediante ciclos Rankine orgánicos. El caso de solar ponds sería específico para zonas poco tecnificadas por su menor rendimiento.
- Potencias de decenas de kW en zonas poco tecnificadas o aisladas. Para intervalos de potencias de decenas de kW y dado el estado actual de las tecnologías, se recomienda prescindir de la opción solar térmica frente a la fotovoltaica pra alimentar un sistema de ósmosis inversa.

Autores: Lourdes García Rodríguez y Agustín Delgado Torres
Fuente: Solar News.