Desalación por desesperación

Incluso en California, asolada por la sequía, San Diego se destaca. Llueve menos que los secos Los Ángeles o Fresno. La región tiene menos agua subterránea que muchas otras partes del estado. Y más del 80 por ciento del agua para hogares y empresas se importa de fuentes que están cada vez más presionadas. El río Colorado está tan sobrecargado que rara vez llega al mar; El agua que se origina en el delta del río Sacramento, a más de 400 millas al norte, fue racionada por funcionarios estatales este año, lo que cortó a algunos agricultores en el Valle Central de California de su principal fuente de riego. El condado de San Diego, cálido, seco y cada vez más poblado, ofrece una vista previa de hacia dónde se dirige gran parte del mundo. También lo hace una decisión reciente del gobierno del condado: está construyendo la planta desalinizadora de agua de mar más grande del hemisferio occidental, a un costo de mil millones de dólares.

El enorme proyecto, en Carlsbad, está repleto de casi 500 trabajadores con cascos amarillos. Cuando termine el próximo año, absorberá más de 100 millones de galones de agua del Océano Pacífico por día y producirá 54 millones de galones de agua fresca y potable. Si bien esto suma solo el 10 por ciento de las necesidades de suministro de agua del condado, será, de manera crucial, confiable y a prueba de sequía, una protección contra tiempos potencialmente peores que se avecinan.

Esta historia fue parte de nuestra edición de enero de 2015

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El condado está apostando por una combinación de ingeniería moderna y tecnología de desalinización con décadas de antigüedad. Una zanja de tubería en construcción conduce a una entrada de laguna cercana; 18 tanques de concreto del tamaño de una casa esperan cargas de arena y carbón para tratar el agua salada antes de que esté lista para la desalinización; Los presurizadores conducen a una tubería de acero inoxidable de un metro de diámetro. Esta pieza final de hardware reluciente transportará agua a alta presión a 2000 tubos de fibra de vidrio, donde se exprimirá a través de membranas de polímero semipermeables. Lo que pasa será agua dulce, dejando atrás la salmuera.

El proceso se llama ósmosis inversa (RO) y es el pilar de las instalaciones de desalinización a gran escala en todo el mundo. A medida que el agua es forzada a través de la membrana, el polímero permite que las moléculas de agua pasen mientras bloquea las sales y otras impurezas inorgánicas. La producción global de desalinización se ha triplicado desde el año 2000: 16.000 plantas están en funcionamiento en todo el mundo, y se espera que el ritmo de construcción aumente mientras la tecnología continúa mejorando. Carlsbad, por ejemplo, ha sido equipado con membranas comerciales de última generación y sistemas avanzados de recuperación de presión. Pero las plantas siguen siendo costosas de construir y operar.

La desalinización de agua de mar, de hecho, es una de las fuentes más caras de agua dulce. El agua se vende, dependiendo de las condiciones del sitio, entre $1,000 y $2,500 por acre-pie (la cantidad utilizada por dos hogares estadounidenses de cinco personas por año). El producto de Carlsbad se venderá por alrededor de $2,000, que es un 80 por ciento más de lo que paga el condado por el agua tratada de fuera del área. Una de las razones es la gran cantidad de energía necesaria para empujar el agua a través de las membranas. Y Carlsbad, como la mayoría de las plantas de desalinización, se está construyendo con bombas adicionales, capacidad de tratamiento y tubos de membrana, lo mejor para garantizar el tiempo de actividad. Debido a que es un activo crítico para la región, existe una enorme cantidad de redundancia para brindar una alta confiabilidad, dice Jonathan Loveland, vicepresidente de Poseidon Water, el propietario de la planta. Si alguna pieza falla, algo más tomará el relevo.

Ya hay unos 700 millones de personas en todo el mundo que sufren escasez de agua, pero se espera que ese número aumente a 1.800 millones en solo 10 años. Algunos países, como Israel, ya dependen en gran medida de la desalinización; más seguirán su ejemplo. En muchos lugares, ya estamos al límite de los recursos hídricos renovables y, sin embargo, seguimos creciendo, dice John Lienhard, ingeniero mecánico y director del Centro de Agua Limpia y Energía Limpia del MIT. Además de eso, tenemos el calentamiento global, con condiciones más cálidas y secas en muchas áreas, lo que potencialmente reducirá aún más la cantidad de agua renovable disponible. Si bien la conservación y el reciclaje ayudarán, no puede reciclar lo que no tiene. A medida que crecen las ciudades costeras, dice, el valor de la desalinización del agua de mar aumentará rápidamente y es probable que veamos una adopción generalizada.

En este sombrío telón de fondo, hay buenas noticias. En resumen, la desalinización está madura para la mejora tecnológica. Una combinación de optimización y automatización impulsadas por sensores, además de nuevos tipos de membranas, podría eventualmente permitir plantas de desalinización que tengan la mitad del tamaño y usen una cantidad proporcionalmente menor de energía. Entre otros beneficios, las pequeñas unidades móviles de desalinización podrían usarse en regiones agrícolas a cientos de millas de distancia del océano, donde la demanda de agua es grande y creciente.

Agua inteligente

Cada dos semanas, Yoram Cohen, un ingeniero químico que dirige el Centro de Investigación de Tecnología del Agua en la Universidad de California, Los Ángeles, sale a la carretera hacia el Valle de San Joaquín, asolado por la sequía. Parte de la vasta sección media agrícola del estado que produce gran parte de los productos del país, la región ha sufrido mucho. El año pasado, 2014, fue el tercer año consecutivo de sequía, en un momento en que la demanda de agua alcanzó un máximo histórico. Me uní a Cohen para una excursión reciente: un viaje en automóvil desde sus laboratorios en UCLA hasta la pequeña ciudad del valle de Firebaugh, en una de las regiones agrícolas más afectadas del estado. A lo largo de la I-5, la carretera que conecta las ciudades de la costa sur de California con su valle central, vimos grandes edificios de ingeniería hidráulica construidos en la década de 1950, incluidas cuatro grandes tuberías que atraviesan las montañas Tehachapi y el acueducto de California revestido de cemento, que corta un camino serpenteante a través del fondo del valle. El sistema de agua del estado, dedicado aproximadamente en un 80 por ciento a la agricultura y en un 20 por ciento a las ciudades, todavía transporta agua bombeada desde el delta del río Sacramento a través del acueducto de California de 444 millas. La infraestructura del agua hizo del sur de California lo que es hoy.

Pero es un sistema bajo un gran estrés. La persistente falta de precipitaciones en California significa que el 80 por ciento del estado ahora se encuentra en una sequía extrema o excepcional, lo que obliga a restricciones de agua en áreas urbanas y cortes para algunos agricultores. Los resultados son evidentes: extensiones de tierras de cultivo resecas yacen recientemente abandonadas; las señales de tráfico emiten advertencias de sequía extrema; los letreros alegan Agua = Empleos. Según un estudio reciente de la Universidad de California, Davis, la sequía infligió pérdidas agrícolas por valor de 1500 millones de dólares solo en 2014.

Todavía en construcción, la planta desalinizadora en Carlsbad, California, será la instalación más grande de este tipo en los Estados Unidos. En espera de ser instaladas en la instalación, hay bombas de turbina de acero inoxidable, envueltas en Mylar protector, que se usarán para bombear el agua limpia.

Cohen, nacido en Israel, explica que a pesar de estas presiones, la desalinización no ha cambiado fundamentalmente desde la década de 1980. El tiempo que se tarda en planificar grandes proyectos (Carlsbad tardó 14 años) hace que a los inversores les resulte difícil esperar grandes beneficios de las nuevas tecnologías, y los fondos federales de investigación de EE. UU. se han destinado a otras prioridades. Además, se ha podido reciclar o conservar el agua por lo que ha sido menos necesaria la costosa desalinización. La otra cara de esto, dice Cohen, es que la desalinización ahora está en condiciones de ser transformada por los mismos tipos de procesos de detección, automatización y control por algoritmos que están rehaciendo otras industrias. Pronto vería de qué estaba hablando.

A medida que se ponía el sol de finales de octubre, largas sombras arrojaban un alto relieve sobre el suelo costroso. Salimos de la I-5, condujimos nueve millas y giramos a la derecha en un camino de tierra apisonada entre pistachos. Estaba anocheciendo, y los rayos de los faros desaparecieron en la nada plana del desierto. Sin embargo, cuando abrí la ventana, percibí un soplo de algo que olía vagamente como el aire salado de la costa. Los faros dejaron al descubierto al culpable: una tubería que vomitaba un brebaje de escorrentía agrícola muy reutilizada. Había comenzado en el delta de Sacramento como agua dulce. Pero se concentró progresivamente más por evaporación en el sistema de acueductos, y aún más cuando se aplicó a los cultivos, recogió minerales en el suelo y se aplicó a los cultivos nuevamente. Ahora era casi tan salino como el agua de mar y también estaba contaminado con una variedad de minerales y fertilizantes.

Se necesita mucha energía para empujar el agua a través de las membranas.

Cohen me llevó a un tráiler cercano habitado por dos estudiantes graduados y una vasta colección de tanques, tuberías, válvulas, tubos y computadoras. Era un sistema totalmente automatizado, capaz de usar cualquier material salobre o contaminado que producen los agricultores de Firebaugh y generar 30,000 galones potables por día. Una pantalla de computadora mostró una imagen en blanco y negro en tiempo real que parecía un paisaje lunar. Fue un disparo de un trozo de la membrana de poliamida en el centro del proceso. La imagen reveló unos cuantos trozos blancos: el comienzo de una incrustación mineral, una pesadilla de membranas. El software de análisis de imágenes puede detectar que esto suceda, y un algoritmo puede dirigir una válvula para que se abra y dispense una solución antiincrustante en el sistema, adelantándose al problema. Otros sensores y sistemas de control pueden impulsar ajustes para evitar otros problemas de incrustaciones, cambiando la presión o la dosis de aditivos químicos utilizados para el pretratamiento.

Cohen tomó un tubo de plástico y abrió un pequeño grifo. El agua clara brotaba; extendió la mano para capturar un poco, se la llevó a la boca, bebió un poco y se frotó el resto en la cara. Si podemos encontrar un automóvil que no requiera un conductor, ¿por qué no podemos descubrir cómo operar una planta de OI sin operadores? él dijo.

Los ahorros podrían ser significativos: los sistemas automatizados como estos probablemente podrían ahorrar entre un tercio y la mitad de los costos de las plantas de desalinización convencionales, dice Cohen. Pero más que eso, una unidad del tamaño de un remolque, capaz de adaptarse a diferentes sitios y condiciones por hora, podría simplemente rodar y ayudar a los agricultores a obtener agua fresca sin importar con qué comiencen.

Membranas Mágicas

Incluso si los sistemas se vuelven más inteligentes, la ósmosis inversa sigue siendo un consumidor de energía. Carlsbad consumirá más de 35 megavatios de electricidad (que podrían alimentar alrededor de 30.000 hogares), por una factura anual de $30 millones. Aproximadamente dos tercios de eso se destinarán a la presión de agua necesaria para que la tecnología funcione. (El otro tercio se destinará principalmente a bombear el agua 10 millas cuesta arriba hasta un depósito, así como al pretratamiento y al bombeo de entrada). Los propietarios de Carlsbad estiman que la planta consumirá 2,8 kilovatios-hora por metro cúbico solo para la desalinización. Algunos sistemas pequeños de ósmosis inversa, que usan procesos configurados de manera diferente (agua corriente en lotes en lugar de bombear continuamente), están alcanzando de 1,5 a 1,7 kilovatios-hora, dice Lienhard. Pero la tecnología no ha sido probada a mayor escala.

¿Cuál es el problema? Se necesita mucho trabajo para empujar el agua a través de las membranas, presión que se traduce en un alto uso de energía. Esas membranas de poliamida relativamente gruesas, aunque están lejos de ser ideales, son las mejores que tenemos en este momento. Pero algunos grupos están tratando de encontrar materiales más eficientes. En el MIT, el equipo del ingeniero mecánico Rohit Karnik está construyendo membranas de un solo átomo de espesor, para ayudar a las moléculas de agua a atravesarlas. Los investigadores explotan el grafeno con haces de iones y lo bañan en productos químicos para grabar poros de menos de un nanómetro de ancho.

En teoría, una membrana esencialmente bidimensional como esta ofrece la menor resistencia posible. Los modelos informáticos del grupo de ciencia e ingeniería de materiales de Jeffrey Grossman en el MIT mostraron que las membranas de grafeno podrían reducir la energía utilizada en la ósmosis inversa entre un 15 y un 46 por ciento. Aún mejor, la alta permeabilidad podría significar que se necesita mucha menos superficie para hacer el trabajo, por lo que toda la planta podría tener la mitad del tamaño.

Hasta ahora, Karnik ha fabricado una membrana de grafeno de un centímetro cuadrado, le ha perforado agujeros y ha demostrado que puede retener selectivamente ciertos iones. Pero aún no ha demostrado que pueda desalinizar el agua de mar, ni siquiera en una mesa de laboratorio. Y una vez que él u otro grupo logra eso, el siguiente desafío es fabricar de manera confiable miles de materiales de membrana con características consistentes. Karnik es optimista de que llegará allí, pero dice que pasarán años antes de que las membranas de grafeno estén listas.

Los materiales de membrana existentes podrían mejorar gracias a otros enfoques de nanoingeniería. En una pequeña sección del tráiler de Firebaugh, Cohen está realizando un experimento con una membrana diseñada por su propio grupo. Una capa base está hecha de poliamida. Pero luego agrega una capa de cepillos en forma de tentáculos hechos de polímeros hidrofílicos, lo que significa que atraen el agua. Las primeras investigaciones sugieren que estas membranas híbridas pueden ser mucho mejores para resistir las incrustaciones, porque los cepillos, que él compara con algas marinas que se balancean en una roca submarina, disuaden a las cosas de adherirse. Esto podría significar menos tiempo de inactividad, menos reemplazos y un rendimiento más rápido. Pero Cohen, tomando un trago de agua de su zanja, insta al realismo. La gente tiene esta fijación de que de alguna manera habrá una membrana mágica que reducirá el costo de la desalinización a casi nada, y creo que eso es un poco engañoso, dice.

Por ahora en los municipios costeros de California, el agua de mar sigue siendo la opción de último recurso, después de la conservación, el reciclaje e incluso el tratamiento y reutilización de las aguas residuales. Si bien muchos están sopesando la desalinización, la ciudad con más probabilidades de seguir los pasos de San Diego es Santa Bárbara. Eso se debe a que ya construyó una planta de ósmosis inversa a principios de la década de 1990 después de una sequía de cinco años, solo para cerrarla rápidamente cuando un par de años de buenas lluvias invernales rellenaron los embalses. La ciudad se movió recientemente para comenzar a financiar una costosa rehabilitación del sitio para que pueda reactivarse si es necesario. Otros municipios han decidido que es demasiado costoso o problemático para el medio ambiente (las instalaciones inevitablemente matan los huevos de peces y otras formas de vida marina, a menos que las tuberías de entrada se entierren bajo la arena a un alto costo).

Pero esa evaluación podría cambiar de cabeza. El agua capturada en embalses o bombeada desde deltas lejanos se está volviendo más costosa, y tales alternativas tienen sus propios costos ambientales. A medida que las fuentes se sequen y aumente la competencia por el agua entre empresas, agricultores y ciudades, inevitablemente recurriremos al agua de mar y otras fuentes saladas. Puede que no sea una gran solución, pero la conclusión es que nos quedan cada vez menos opciones en un mundo hambriento de agua.

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