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ACERCA DE LA OSMOSIS INVERSA SUBMARINA. Luis Mª RÍOS ARAGÜÉS (13 páginas con 8 figuras y 1 tabla). Versión Febrero-2008, corregida Sept-2008

Este escrito pretende ser una divulgación de las posibilidades de obtención de agua dulce a partir del agua salada de los océanos, mediante dispositivos submarinos pendientes de navíos flotantes, como serían unos catamaranes semi-sumergibles. Se intenta mostrar de manera sucinta las ventajas que podría tener el sistema submarino, comparado con el de las desaladoras sobre el terreno, y ello sin tener que llegar necesariamente a los grandes caudales de producción de éstas. De modo que podrían diversificarse las posibilidades de utilización de la modalidad submarina en cuanto a la ordenación del territorio. En estos tiempos de temores acerca del efecto invernadero, hay que considerar cualquier procedimiento que tienda a reponer al CO2 en su sitio. La producción de biomasa está en ese propósito. Ahora bien, si hablamos de biomasa debemos hablar también del agua necesaria para producirla. Antes de entrar en el asunto, y aunque pueda ser una exageración, dejemos aparcada la siguiente idea. Los dispositivos propuestos al no ocupar territorio, si el nivel del mar subiera, no se verían afectados porque flotan. 1). En una instalación de superficie, la bomba de potencia se coloca antes del dispositivo de osmosis inversa. Se trabaja comprimiendo al total de agua de entrada o agua bruta. Sin embargo el agua dulce producida del otro lado de la membrana es solamente una fracción de la bruta. La fórmula que liga el régimen de presiones (prescindiendo de los rozamientos en las conducciones) la podemos considerar en primera aproximación como: PTOTAL = PI + PNETA La presión de osmosis PI tiene que ser sobrepasada según una presión que podemos llamar neta, ya que será la que cause el permeado de agua dulce a través de la superficie de la membrana. Si la presión total no cumple esa condición, el agua no pasará en ese sentido. Ahora bien, para aumentar la producción de agua dulce, p.ej. hasta un 0,5 del caudal del agua de alimentación, hay que aumentar la presión total. Pero en esas condiciones, al aumentar la salinidad del lado anterior del dispositivo aumenta también proporcionalmente la presión de osmosis que hay que vencer, (en ese caso en un 50% aproximadamente). Por ello, el sistema se ve abocado a tener que montar un procedimiento de recuperación de la energía que estérilmente se comunicó a toda el agua de alimentación, energía correspondiente a la de la sal muera que hay que purgar continuamente. Aun así, las condiciones más económicas en cuanto a caudal producido, hacen que el factor de conversión (de agua salada a agua dulce) sea por lo menos del 0,4. 2). En cambio, imaginemos ahora en la osmosis inversa submarina, una plataforma flotante sobre el mar de la cual pende una tubería en cuyo extremo inferior está el dispositivo 1

de membrana. El agua salada tiene su entrada a este dispositivo a la profundidad de H metros. Al ser el agua salada más pesada que el agua dulce, si el peso de la columna virtual de agua salada supera a la presión de osmosis, el agua dulce alcanzará por el interior de la tubería una cota por debajo del nivel del mar según una diferencia que llamaremos h (en metros). Hay una situación de equilibrio por la cual la presión correspondiente a la profundidad del agua salada es igual a la presión correspondiente a una columna de agua dulce más la presión de osmosis (Figura CLM). La presión de osmosis correspondiente a una salinidad del agua oceánica es de unos 27 bar.

A partir de esa situación, disponiendo una bomba en el interior de la tubería se puede extraer el agua dulce hasta la superficie de la plataforma. El agua sobresalada se dejaría estar donde le corresponde, es decir en el mar, obviando así el posible problema ecológico. La energía se aplicaría exclusivamente a hacer subir, una altura h, al agua dulce producida. (Una estimación de esta energía se puede hacer a partir de la cantidad 2'72⋅⋅10-3 kWh que hace falta para hacer subir 1 m3 de agua de densidad 1 g/cm3 a 1 m más de cota). Hay que ver no obstante que si, al bombear, se quiere obtener un caudal de agua dulce considerable, habrá que deprimir el nivel del agua en la tubería, aumentando así la presión neta actuante sobre el dispositivo de membrana. La consecuencia inmediata será una mayor diferencia de cota h hasta la superficie de la plataforma. De todos modos, por consideraciones de orden general, el ahorro energético, comparando los dos sistemas, (el convencional terrestre y el de osmosis inversa submarina), sería mayor del 50 %. 3). El ahorro por diferencia de densidades entre el agua marina y el agua dulce se puede estimar en un 2,6 % (para una densidad del agua salada del orden de 1,026 g/cm2). Ese porcentaje hay que aplicarlo a la energía potencial que representan los H metros de profundidad de la tubería. La dimensión resultante corresponde a un acortamiento de la profundidad h. 2

4). Mayor producción hasta alcanzar la resistencia mecánica de la membrana. Una ventaja mucho más importante que el ahorro por diferencia de densidades es el hecho de poder operar con factores de conversión pequeños: 0,1 por ejemplo. Así, de cada 1 m3 de agua dulce permeada a través del dispositivo de membrana, 9 m3 ligeramente sobresalados son rechazados desde debajo de la tubería (cf. infra). Siendo la presión osmótica proporcional a la salinidad del agua, la presión de osmosis efectiva es proporcional a la media de la salinidad en el lado frontal de la superficie de la membrana. Dicha presión osmótica efectiva, en las plantas desaladoras terrestres convencionales, está muy aumentada: p.ej. en un 41 % para un factor de conversión del 0,45. En cambio, en el dispositivo de osmosis inversa submarina se podría trabajar con factores de conversión pequeños, p.ej. 0,1. En este caso, la presión osmótica que habría que vencer sería apenas un 5,5 % mayor que la correspondiente a la salinidad del agua del mar. Así, se puede aprovechar mejor la resistencia de la membrana. En efecto, si suponemos que la resistencia de la membrana es 60 bar y que la presión de osmosis efectiva es 28,48 bar (= 27 x 1,055), hasta esos 60 bar dispondremos de 31,52 bar para deprimir 315,2 m el nivel del agua dentro de la tubería (31.52 x 10). Ello como PNETA aplicable a la producción de caudal de agua permeando a través del dispositivo de membrana. Si imaginamos, por comparación, que el factor de conversión fuera de 0,45 la presión de osmosis efectiva sería 38,07 bar (= 27 x 1,41) y el margen que quedaría para la PNETA sería de 21,93 bar, con lo que la producción tendría un caudal 30,5 % menor. 5). Si damos primacía a esta ventaja respecto a la ventaja del ahorro por diferencia de densidades, podemos estimar un valor adecuado para la profundidad de la tubería. Para ello partiremos de los siguientes valores: ⋅ Densidad del agua marina: 1,026 g/cm3. Salinidad: 36 g/litro. ⋅ Presión de osmosis correspondiente a esa salinidad: 27 bar. ⋅ Profundidad de la tubería correspondiente a 60 bar de columna de agua marina: 585 m. (=600/1,026). ⋅ Factor de conversión: 0,1. Así, la presión de osmosis efectiva es 28,48 bar. ⋅ En condiciones de equilibrio, con una producción mínima o nula, el nivel superior del agua dulce dentro de la tubería estaría a 300,2 m por encima del dispositivo de osmosis, (al ser h=284,8 m, y 585-h=300,2 m). ⋅ Así, la presión disponible para el permeado podría ser teóricamente de hasta 30,02 bar. ⋅ En la práctica, si dejamos un margen para la bomba de extracción y añadimos unos 12 m para la longitud del dispositivo de osmosis, dispondríamos una tubería de unos 600 m de profundidad para el conjunto. 6). Para lograr la ventaja, antes aludida, de que la presión de osmosis efectiva sea pequeña, el agua de rechazo, sobresalada, ha de ser desalojada del entorno del dispositivo de osmosis, puesto que es de ese entorno de donde ha de tomarse el agua de alimentación. Así, para un factor de conversión de 0,1 , de cada 10 m3 de alimentación, 9 m3 han de ser alejados. A la profundidad de 600 m no es de esperar que haya corrientes submarinas que puedan llevarse ese agua sobresalada. Es posible, sin embargo, que hubiera un efecto de "gota pesada" hacia abajo acumulativo en un penacho descendente. Esta es una cuestión que podría ser estudiada. 3

De momento nos ceñiremos a la idea de una tubería vertical emisario, de diámetro grande. Para activar la circulación, podría tener en su interior una bomba de poca presión del tipo ventilador. Por otra parte, si se dispone del fondo necesario, la tubería emisario podría ser aumentada en longitud para que la presión de la columna de agua sobresalada acumulada en su interior, al ser mayor que la del exterior, ayudara en todo o en parte a su evacuación. Para ello, las figuras de los gráficos PO y SD indican la proporcionalidad entre la salinidad y la densidad para diferentes presiones hidrostáticas y temperaturas.

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A 500-1000 m de profundidad y 5-8 grados de temperatura, al ser la salinidad del agua de alimentación de unos 34,5 g/litro, su densidad sería de unos 1,0265 g/cm3. Con un factor de conversión de 0,1, el agua de rechazo tendría una salinidad de 34,5⋅⋅10/9= 38,33 g/litro y 1,030 g/cm3 de densidad. Ello ocasiona una diferencia entre ambas densidades de 0,0035 g/cm3. Así, con cada 300 m de tubería emisario en vertical se lograrían unos 0,105 Kg/cm2 adicionales (0,1 bar). Análogamente, con un factor de conversión de 0,2, el agua de rechazo tendría una salinidad de 34,5⋅⋅10/8 = 43,12 g/litro, y unos 0,0086 g/cm3 la diferencia de densidades. Así, con cada 300 m de tubería emisario en vertical se lograrían unos 0,258 Kg/cm2 adicionales. 5

7). En las figuras DMT y EXA se muestra un dispositivo de osmosis. Los tubulares están distribuidos en un espacio entre la tubería de alimentación y la pared externa del dispositivo. La membrana estaría en la parte externa de los tubulares, de modo que el agua dulce permeada penetraría hacia su interior (cf. epígrafe 11). Hay un filtrado en la entrada para limpiar al agua de alimentación de posibles partículas en suspensión. Ello ocasiona una pequeña pérdida de carga que podría ser entre 0'2 y 0´3 bar, la cual se traduce en un descenso del nivel del agua dulce en el interior de la tubería de extracción de 2 o 3 m.

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Con ese diseño se logra: ⋅ El menor rozamiento de la corriente de desalojo entre los tubulares. ⋅ Una superficie total activa grande de membrana. ⋅ La sección total de desalojo entre tubulares cumple holgadamente la posible relación respecto a la tubería de alimentación. ⋅ El diámetro de la tubería de desalojo puede ser tan grande como el diámetro del dispositivo de donde pende. A mayor diámetro de dicha tubería, mayor caudal de desalojo. · La posibilidad de limpieza in situ de las membranas, invirtiendo el sentido de la circulación para el adecuado fluido. En relación con el primero de estos puntos cabe señalar la comparación con el caso de dispositivo formado por cartuchos de espiral en línea, donde cada cartucho ocasionaría una pérdida de carga para el desalojo del agua de rechazo del orden de 1 a 2 bar (M.Fariñas, 1999). 7

8) La superficie de membrana es determinante del caudal de agua dulce. El caudal diario (m3/día) es directamente proporcional a la presión neta permeante (bar), a la superficie (m2) y al coeficiente de permeabilidad (m/día/bar). P. ej., optemos por un diámetro para el dispositivo de 120 cm y un diámetro para los tubulares de 2'5 cm, en pauta exagonal de lado 2'9 cm. Entonces el diámetro del tubo de alimentación tendría prudentemente un diámetro de 62 cm. En el espacio anular restante cabrían unos 1100 tubulares que proporcionarían en total un contorno de membrana de 86'4 m. Si el dispositivo hacemos que tenga 12 m de longitud, la superficie activa de membrana sería 1037 m2. En otro ejemplo, si optamos por un diámetro para el dispositivo de 240 cm. Para la misma organización de tubulares, la superficie activa de los 12 m de dispositivo sería de unos 4241 m2. (Diámetro de alimentación de unos 122 cm). 9) El dispositivo de osmosis estaría colgado de la plataforma mediante una tubería de diámetro menor de 10 cm de radio, (p.ej. de poliuretano flexible de alta densidad: 0,96 g/cm3), en cuyo interior actuaría la bomba de extracción del agua dulce. Se pueden disponer varios dispositivos en paralelo, pendientes de un catamarán semisumergible (ver figura KTA) con lo cual se multiplicaría la producción. Habría un colector a una tubería de mayor sección, que por vasos comunicantes, y bombeo adicional, conduciría el agua a la costa.

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10) Estos navíos, de forma alargada y aerodinámica, ofrecen la menor resistencia a las corrientes y al viento que las origina. En régimen de producción deberán estar anclados. Su posicionamiento deberá ser lo más fijo posible para no sobrepasar la distancia de acople al "racord" del colector. Para ello he ideado un anclaje semi-rígido, ya en su segunda versión figura SRGNV), descrito aparte. Tiene la ventaja adicional de que ejerce un efecto de estabilización del catamarán, si el cable de amarre tira desde debajo del centro de gravedad del navío.

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11) El tipo de membrana en tubular que se propone es inédito (fig. TB). Existe o existía un modelo que tenía la membrana en el interior de un tubo de acero, con perforaciones. El que aquí se propone tiene el tubo de acero en el interior, rodeado por la membrana. Ello viene exigido por las condiciones geométricas del dispositivo (cf. supra). Como consecuencia, la resistencia de la membrana a la presión será mayor. La composición química de la membrana cumplirá modestamente la función de desalinización del agua marina y no otras funciones más exigentes como las de los tubulares antiguos que se aplicaban a filtraciones muy severas para depuración o fabricación de ciertos productos. Por lo tanto, su composición será parecida a la de la membrana de cartuchos-espiral, de uso corriente actual en las desaladoras. Tengamos en cuenta que la membrana es la parte más cara de un dispositivo. La membrana de un cartucho de espiral esta dispuesta según una superficie enrollada dentro de una carcasa.

En un tubular de 1 m de longitud y 2,5 cm de diámetro, la superficie de membrana activa externa sería de 0'07854 m2. Por lo tanto, para tener la superficie de 1 m2 se necesitarían 12'7 tubulares. Así, nos vemos abocados a la siguiente pregunta: ¿cuánto más caro resultaría su fabricación con relación al precio de 1 m2 de membrana en cartucho de espiral?. Téngase en cuenta que la respuesta a esta pregunta no es decisoria en si misma, sino que debe ponderarse y compararse con los otros costos de fabricación probablemente más baratos, incluido el precio del terreno. 10

12) La energía eólica se puede aplicar favorablemente. En general, los aerogeneradores, que actualmente se instalan en tierra, son muy económicos, tanto en el coste del kWh como en la amortización, para tiempos de utilización razonables en lugares ventosos escogidos. Actualmente se está mejorando en el diseño de aerogeneradores funcionando sobre el medio marino. Su utilización tiende a abaratar el precio del m3 producido por osmosis inversa. En el caso de la producción desde el mar las brisas son frecuentes, tanto cerca de la costa como lejos de ella, pudiéndose elegir también los emplazamientos más convenientes. Por otra parte, el aerogenerador y motor de la bomba pueden ser asíncronos, sin el problema de tener que ajustarse a la frecuencia estándar de la red. Por lo tanto, no existe límite inferior de velocidad del viento para poder funcionar, a no ser que éste sea prácticamente nulo. Al ser la energía gratis, el coste se puede considerar solamente en términos de amortización del capital invertido en los aerogeneradores (como mucho 4'5 millones de Euros), amortización fácilmente sustentable . Si la logística no permite paradas de viento, por la imposibilidad de almacenamiento del agua en tierra u otras causas, puede recurrirse a otras fuentes: - paneles fotovoltaicos para lo que se dispone la superficie de la cubierta del navío. - energía de las olas. - otras. Ahora bien, no es previsible un abaratamiento de la amortización de estas fuentes a corto plazo. 13). Viabilidad económica . Acerca del orden de magnitud de la inversión posible para la instalación. En este epígrafe no se trata de calcular un presupuesto a partir de un desglose pormenorizado de cada conjunto de piezas, y de los costes de montaje y mantenimiento. En primer lugar, porque se desconoce el precio exacto de alguno de los principales elementos). Haciendo una estimación prudente de la cuota de amortización retraible del importe de la venta de la producción de agua, se puede a partir de la Tabla adjunta deducir el capital de un supuesto préstamo, destinado al coste del conjunto de la instalación. (Tabla ABC). Así, por ejemplo supongamos una producción diaria de 20.000 m3 y un precio de venta de 0,42 euros el m3. Descontemos un 6 % de beneficios y un 14 % de mantenimiento y gastos de producción (energía ya excluida, cf. supra). Asi, dispondríamos para amortización de 0,34 euros por m3 vendido. Ello representa una cuota mensual de 204.000 Euros. Si el préstamo es a 15 años a un interés del 4'5 %, el capital disponible para invertir sería de 26.667.000 Euros. En algunos de mis trabajos anteriores con estimaciones económicas, se partía de los precios del agua producida en las desaladoras de 1999, lo que hacía aún más competitivo al procedimiento aquí propuesto. No obstante, se indicaban los costes igualmente asumibles de algunas partidas importantes (tuberías) según precios de catálogo del fabricante en la correspondiente fecha. 11

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Documentación conexa - "Osmosis inversa submarina. Bases para un esbozo". L.M. Ríos-Aragüés, 27 pp con 5 figuras, 9 gráficos y 4 cuadros. XI Congreso Internacional de Minería y Metalurgia. Zaragoza, Junio-2002. - "Osmosis inversa submarina. Bases para un esbozo". (L.M.R., 15/04/2003) Resumen amplio comentado de la comunicación al XI Congreso Internacional de Minería y Metalurgia. Zaragoza, Junio-2002. - Acerca de la economía de producción de agua dulce por osmosis inversa submarina desde plataformas flotantes. (L.M.R.). 12 pp, 7 figs. Febrero 2003. - "Anclaje semi-rígido para plataformas flotantes y otros navíos fijos. Segunda versión". (L.M.R.), (6 pp incluyendo 3 figs, Abril-2006). - "Desalación del agua por osmosis inversa mediante dispositivo someramente inmerso. (L.M.R.) 5 pp, 4 figs. 18/10/2003.

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