Aspectos sobre la EDAM en Valle Guerra, del municipio de La Laguna.
Informe de Julio Muñiz Padilla. Químico.
Profesor jubilado de Química Ambiental.
Estimados representantes municipales de La Laguna.
Tal como se me ha pedido, hago un pequeño escrito que creo puede complementar el realizado por Vds sobre lo inconveniente que puede resultar la instalación de una estación de desalación de agua de mar para el abasto del municipio de La Laguna en la comarca del Valle de Guerra.
He intentado ser escueto pero sin eludir algunos cálculos que, sin los mismos, resulta difícil establecer los problemas de emisiones de gases invernadero, consumo energético impropio, rechazos salinos, coste del suministro y compra de tecnología bajo patentes.
Además, haciendo cálculo, observo que los valores del precio del metro cúbico de agua suministrada por dicha tecnología y puesta en las casas de los habitantes equivalentes discrepan en un 28% menos que los calculados según los valores habituales en este tipo de instalaciones y las alturas promediadas de los diferentes depósitos reguladores del municipio.
(I) Estudio de la propuesta del Consejo Insular de agua
(1) Caudales, el consumo energético, los rechazos y las huellas ecológicas.
(1.1) La propuesta presentada plantea una producción diaria de 5000 m³. Según los cálculo medios de consumo de agua potable que se establece en unos 200 L/hab-equi día, esta planta con esta producción afectaría a una población de unos 25 000 habitantes equivalentes, lo que representa un porcentaje de la población algo inferior al 25% de la población municipal.
Justa esa población del municipio que coincide con aquella con la que tenemos más problema de abastos debido al problema de la fluorosis no reside en la zona norte y costera del municipio, a saber, La Punta del Hidalgo, Bajamar, Tejina, Jover, Valle Guerra, en los que el problema del abasto es comparativamente menor en caudales y calidades a la población que reside en las zonas de Sotavento, Los Baldíos, La Cuesta, Montaña Pacho, El Chorrillo, Las Veredillas, La Laguna-casco. En cuanquiera de esos caso, las aguas desaladas desde esa ubicación en el litoral norteño deberían ser bombeadas o, en el caso de su simple sustitución, se produciría un incremento de los niveles de fluoruros a estos barrios y poblaciones.
(1.2) Teniendo en cuenta que el principal problema del abasto del agua del municipio es su baja calidad debido a los altos contenidos de fluoruros que proceden de las aguas suministradas por el Canal del Norte, cuya principal fuente de suministro son las galerías situadas bajo el Valle de Ucanca, principalmente en el MP de La Guancha, Vergara I y Vergara II, que se mezclan a fin de reducir la [F.] con las aguas extraídas de pozos que atacan peligrosamente el acuífero de Anaga, en particular el Pozo de Las Canteras, la solución de incrementar el mix de las aguas a fin de reducir sus altos niveles de fluoruros hasta los 1,5 mg∕L el máximo permitido legal, es poco satisfactoria. Ello implica que :
(a) La nueva estación desaladora no reduciría los caudales del Pozo de Las Canteras por lo que no ayuda, de manera positiva, a la conservación de este inmenso espacio natural de Anaga.
(b) Se encarece enormemente el costo del abasto pues las aguas desaladas deben ser bombeadas desde las cotas del norte a los actuales depósitos reguladores.
(c) Se incrementa considerablemente la fracción de gases de efecto invernadero por m³ de agua distribuida lo que es contrario a nuestros objetivos y los objetivos para la década, la llamada Agenda 2030.
(d) Se crea un nuevo problema de rechazo y va en contra del objetivo de emisiones cero al mar.
(e) Incrementaría de forma significativa el costo del abasto para el ciudadano de manera ineludible según se establece legalmente. Posiblemente, también el ciudadano deberá pagar, no solo el costo de los combustibles, la mano de obra de la estación sino, además, es probable que deba pagar mediante alguna especie de hipoteca, la nueva infraestructura y las patentes para el uso privativo de las tecnologías de membranas.
De esos aspectos haremos una somera justificación con datos.
(2) Sobre el costo energético de la desalación de agua de mar, el factor de reparto y el gasto de bombeo.
(2.1) en los modelos actuales de desalación marina de agua mediante sistemas de ósmosis inversa, se parte de un presión osmótica de 35 a 50 atmósferas atmósfera que, usando sistema de recuperación de la presión del rechazo, aquella, de manera habitual se reduce a una presión efectiva mínima de de 30 atmósfera (que usaremos en estos cálculos) con membranas nuevas de poliamida y un factor de reparto medio de ½ (es decir, se usan dos litros de agua de mar para obtener 1 de agua desalada) lo que implicaría para un total de 5000 m3/días de producción:
2.1.1Caudal producido 5000 m³ día, en régimen continuo unos 60 L/s , con una conductividad próxima de 680 micro Siemens /cm.
2.1.1 Caudal de agua de mar 10000 m³ /día (concentración salina equivalente 3,5 kg NaCl/m3)
2.1.2.Caudal de rechazo de salmuera. 5000 m³ /día (concentración salina equivalente 7 kg/NaCl , o 1,2 molar).
A esa disolución normalizada se le deberá añadir pequeñas, pero efectivas, concentraciones de reactivos químicos necesario para mantener la humedad de las membranas y el ajuste del pH, H2SO4, para impedir las formaciones de colonias de hongos (NaClO) y, demás, químicos persistentes como antialgas y biocidas necesarios en el mantenimiento de las delicadas membranas.
En relación al impacto que dichos rechazos crónicos pueden afectar a los nichos ecológicos próximos a los emisarios hay muchísima literatura bien documentada, por lo que no me extenderé más en ese importante tema.
2.2.1 Energía por cada m³ final
Será el resultado de sumar (s1) el gasto del bombeo desde el pozo marino a la EDAM, con un desnivel de 20 m más (s2) el consumo de la ósmosis en los bastidores de membranas (3) El gasto del bombeo desde la EDAM a los depósitos reguladores.
(S1) :
producido del bombeo del agua de mar a través de un pozo marino, con un desnivel de 20 metros desde el pozo al bastidor.
E1= 1/reparto x 1/eficiencia x masa x constante gravedad x desnivel.
2.2.1 E1 = 1/0,5 x 1/0,7 x 1000 kg x 9,81 x 20 m = 560571 J ( 0,16 kWh)
Energía eléctrica por m³ producido = (1/porcentaje reparto) x 1/eficiencia x Presión osmótica neta x Volumen agua
(S2)
2.2.2 E2 = 1/05 x 1/0,7 x 30 atm x 101300 (pas/atm) x 1 m3=8104000 J ( 2,41 kWh/m³) por la ósmosis inversa. (Valor teórico mínimo, cercano al equilibrio termodínamico).
En definitiva, a nivel de la orilla del mar (20 metros de altura), el gasto energético mínimo por cada metro cúbico de agua producida será:
2.2 Energía mínima por m³ de agua producida= 0,16 kWh + 2,41 kWh = 2,57 kWh m³ al nivel del mar.
(3) El bombeo del agua desde la EDAM al depósito regulador.
Como se observa, este gasto energético no coincide con el que se establece en el proyecto presentado a la corporación que, según se lee, es 4,89 kWh/m³.
Esta discrepancia, sin aclaraciones precisas, se deberá entender que se deba a alguna de estas causas:
(a) El sistema que se usará en esta estación depuradora es de una eficiencia muy baja.
(b) Se añaden gastos energéticos que no corresponden exactamente con el proceso de producción de aguas.
(c) Se incluye en este dato el gasto del bombeo al depósito distribuidor de agua.
Consideraré esta última opción, por lo que, a partir de la diferencia entre el dato propuesto en el proyecto presentado y nuestro cálculo justificado, podremos deducir cuál es la situación a la que se pretende elevar las aguas desaladas en la orilla del mar.
El diferencial entre las energías es 4,89 kWh/m3 – 2,57kWh/ m3 = 2,32 kWh/m³
Usando la ecuación de Calvert y la ecuación de Rankine para obtener la eficiencia del ariete hidráulico :
eficiencia=Q*ho/(Q + Qw)*hf
Los valores óptimos nos dan una eficiencia de 0,61 (61%) para tubería de Hierro galvanizado, dicos de empaquetadura de neopreno y válvulas y llaves de bonce.
Con esos datos podemos estimar la altura a la que se pretende elevar el agua producida:
Energía=1/eficiencia x masa x gravedad x altura total.
2,32 kWh x 3600 000 J/kWh = 1/0,61 x 1000 kg/m³ x 9,81 N/kg x h;
(3.1) Supuesto de la altura de la elevación de agua h= 519 metros.
Esta altura es, a todas luces, insuficiente para distribuir el agua entre la mayoría de los consumidores laguneros.
En el caso más verídico de que la altura a la que se deba elevar el agua fuera de 700 metros, le energía necesaria para el bombeo sería de 3,13 kWh/m³. Ello nos llevaría a un gasto energético más plausible del agua producida en la EDAM de
(3.2) Energía recalculada de producción y bombeo =2,57 kWh + 3,13 kWh =5,7 kWh/m3
Esta altura, si bien coincide con la de parte de la población de la Laguna, no es la de sus depositos reguladors, (Mesa Mota, Montaña del Aire, Valle Guerra II, San Roque...) por lo que, si bien el dato es orientativo, resulta bajo para la realidad de la situación de los depósitos principales de agua que suministran a las zonas actuales con problemas de abastos por falta de caudales, y, como hemos explicado, por problemas legales en relación a los altos niveles de los fluoruros.
(4) El gasto energético diarios y las emisiones de CO2 por el uso de electricidad de origen fósil.
Haciendo un cálculo optimista de 0,30 kg de CO2 por cada kWh (inferior al índice medio a fecha del 2021 en Canarias que supera los 0,33 kg/kWh)
valor propuesto:
Kg de CO2/día = 5000 m³ /dia x 4,89 kWh/m³ x 0,33 kgCO2 kWh =8 068 kg CO2 /día
valor recalculado
Kg de CO2/día = 5000 m³ /dia x 5,70 kWh/m³ x 0,33 kgCO2 kWh =9 405 kg CO2 /día
Esos gastos implican unos derechos de emisión anuales de 3765 derechos de emisiones anuales, huella ecológica enormemente alta que contradice cualquier proyecto sostenible.
Al precio medio de unos 60 € Derecho de emisión, estaríamos hablando, por tal concepto de una cantidad que supera los 610 000 € anuales.
Si bien, en la actual norma, ese gasto va implícito en el precio de la energía, no por ello disimula la enorme cantidad de CO2 emitida al medio por el consumo de esa agua.
Si referimos esa cantidad a abasta, cada litro de agua consumida producida en la desaladora de Valle Guerra implica una actividad equivalente que emita superior a los dos gramos de CO2 por Litro de agua
(4) Huella ecológica 2,1 g de CO2 a la atmósfera por cada litro de agua del abasto o lo que equivale a 1,13 L de CO2 por cada litro de agua.
Tabla de valores teóricos mínimos.
|
Datos aportados |
Datos recalculados |
Caudal diario |
5 000 m³ /dia |
5000 m³ dia |
Sistema desalación |
Ósmosis Inversa |
Ósmosis inversa |
Caudal agua de mar |
N.C. |
10 000 m³ /dia |
Rechazo al mar de salmuera |
N.C. |
5 000 m³ /dia |
Concentración salina agua mar equiv. NaCl |
N.C. |
35 g/L , 0,6 Molar |
Concentración salina salmuera |
N.C. |
70 g/L, 1,2 Molar. |
Presión osmótica |
N.C. |
29,32 atmósferas a 298 K |
Presión mínima de funcionamiento |
N.C. |
50 atmósferas |
Recuperación de presión salmuera |
N.C. |
20 atmósferas. |
Presión de funcionamiento efectiva (mínima) |
N.C. |
30 atmósfera |
Consumo bombeo pozo marino a EDAM |
N.C. |
0,16 kWh |
Impulsión membrana con recuperación |
N.C. |
2.41 kWh |
Bombeo depósito regulador (700 m) |
N.C. |
3,13 kWh. |
Gasto Global por m³ de agua en depósito |
4,89 kWh /m³ |
5,17 kWh (mínimo ) |
Emisión de CO2 /m³ |
N.C. |
1,7 kg CO2 /m³
|
Cálculos habituales en sistemas similares:
Los valores habituales en este tipo de instalación son algo más alto, con presiones de trabajo de 55 atmósferas, con aprovechamiento de 20 atmósferas.
Cuando se inicia el proceso, la presión que se aplica a un metro cúbico de agua es de unas 35 atmósfera recuperándose 7 atmósferas de la presión con que sale el rechazo, que es la mitad del volumen de agua donde se ha concentrado la práctica totalidad de las sales.
En definitiva, para obtener 1000 litros de agua pura a partir de 2000 de agua de mar con recuperación de presión y membranas nuevas, y una eficiencia eléctrica/mecánica de las bombas del 70%, para obtener caudales aceptables se suele aplicar una presión neta de 35 atmósfera. (55 atmósferas iniciales con una recuperación de 20 atmósfera del impulso del rechazo).
Para agua de mar el factor de reparto es 0,5, es decir, se necesitan dos volúmenes de agua de mar para obtener uno de permeado. Su inversa será 1/fr = 2.
Rendimiento de las bombas de los paneles=0,7
Presión neta=presión de empuje menos presión recuperada = 55-20= 35atmósferas
Energía para obtener 1000 L de agua por ósmosis inversa = 1/0,7 x 1/0,5 x 35 atm x 101300 N/atm-m2 x 1 m³ x 1/3600000 (kWh/J)= 2,813 kWh/m³ a nivel del mar.
Normalmente el agua de mar se obtiene de pozos en la propia orilla, lo que mejora la turbidez del agua que, al final, garantiza la duración de las membranas. Dependiendo de la profundidad de estos pozos, habrá que añadir a este cálculo el gasto de la succión de las bombas. Datos habituales podrían ser.
Volumen de agua de mar bombeada por m³ de agua desalada =2.
Desnivel del arete hidráulico 12 metros.
Eficiencia de las bombas de succión 61%.
Energía del bombeo de agua de mar= 2*1/0,61 * 1000 kg* 9,81 N/kf * 12 m* 1/3600000 kWh/J=0,107 kWh/m³
Gasto energético de la desalación a nivel del mar
Energía= 0,107 kWh/m³ + 2.813 kWh/m3=2,92 kWh/m³.
Gasto energético del bombeo depósito regulador (700 m): 3,13 kWh
Energía m³ agua en destino La Laguna = 2,92 kWh + 3,13 kWh = 6,05 kWh
Huella ecológica kg CO2/m³ = 1,99 kg/m³
Precio sin impuestos por el gasto energético (julio 2021)
6,05kWh x 0,11 €/kWh =0.665 € /m³
(II) Alternativa que se propone.
Los sistemas de desalación de ósmosis inversa pueden representar saluciones factibles siempre que el agua obtenida se utilice en poblaciones situadas en cotas bajas, tales que los depositos reguladores a los que deba elevarse ese agua no supere la altura de 200 metros sobre el nivel del mar. Como hemos visto, no es este el caso.
Las necesidades de agua de gran parte del municipio de La Laguna se deben fundamentalmente por los niveles excesivamente altos del anión fluoruro de a aguas que, como hemos explicado, son suministrado por el Canal del Norte, desde el noroeste de la isla.
Esa fuente, en cualquier caso, tiene la gran ventaja de que se encuentra a una altura muy superior a la máxima municipal por lo que la gravedad es, en este caso, una grana aliada. En cambio, en el caso de las aguas desaladas a partir del mar, la gravedad es el peor de los obstáculos o factores contrarios a una gestión sostenible.
La visión sostenible nos invita a plantear una visión alternativa del abasto de tal forma que lo que podría ser un problema se transforme en una ventaja.
Por supuesta esta visión alternativa de desvía de las aparentes soluciones basadas exclusivamente en el concurso de la tecnología que necesita el consumo ingente y aún muy contaminante de energías externas, aún en más de un 80% fósiles en nuestra isla.
Propuesta:
(1) No se utilizara EDAM para abastecer a poblaciones situadas a cotas por encima de 200 metros.
(2) Utilizar siempre que sea posible los caudales de aguas que provienen de galerías manantial situada en alturas aunque los mismos tengan, en origen, concentraciones altas de Fluoruros.
(3) Proponemos instalar en las ETAP (Estaciones de tratamiento de aguas Potables) sistemas de afinación de las aguas por ósmosis inversa que usen los gradientes de presión debido a los desniveles con un factor de reparto de ⅓.
En la mayoría de los casos las aguas de manantial suministrada por las galerías de los altos de Tenerife son de alta calidad, si no fuera por el problema de su nivel del anión F-. Este analito se incorpora al agua de lluvia o nieve que se filtra en el Valle de Ucanca debido a la composición geológica de algunos minerales localizados debajo de esta cuenca o captador hidrológico, en la cumbre de Las Cañadas.
Pero, afortunadamente, este anión se puede separar sin problemas mediante al menos 4 sistemas descritos, a saber:
(a) Uso de resinas de intercambio iónicos.
(b) Uso de zeolitas que ejercen con las resinas pero cuyo origen es natural.
(c) Precipitación mediante sales de calcio o de aluminio.
(d) Uso de la electrodiálisis reversible.
(e) Uso de la ósmosis inversa con bombas de impulsión.
(f) Uso de la ósmosis inversa con presión hidrostática.
Si bien, el uso de zeolitas puede ser prometedor, aún en nuestras islas no está suficientemente implantado. Tanto ese uso como el anterior mediante resinas de intercambio iónico, implican la reposición periódica de los materiales o el tratamiento químico de los mismos, pues las zeolitas y las perlas de resinas van captando, en su filtraje, los fluoruros. Este proceso activo de filtrado puede producir retención por adsorción lo que exige, para caudales altos, el uso de estaciones de gran superficie de filtrado que permitan disponer de un flujo agua equivalentes con un caudal de 50 L/s que es lo que se intentan producir mediante la EDAM de Valle Guerra.
De cualquier manera, el uso de estos materiales es un procedimiento que no se debería obviar y que, posiblemente merezca un estudio pormenorizado.
El procedimiento (c) para la reducción del halógeno mediante la precipitación de sales insolubles de flúor es habitual, pero aumenta el pH y la dureza de las aguas. Por ello no lo aconsejo, a pesar de que sea relativamente barato.
El método que proponemos es el (f), la ósmosis inversa, sin necesidad de energía externa, utilizando la presión hidrostática.
La presión que hay que superar, presión osmótica Π=α[iones] R T
En esta alternativa proponemos el método de ósmosis inversa con la particularidad de que el gradiente de presión que se deberá aplicar lo obtendremos directamente del peso por unidad de superficie de de la columna de agua que ejerce sobre los bastidores con picomembranas de poliamida.
Presión aplicada P= densidad x gravedad x altura.
Cuando mayor sea la presión aplicada al agua de entrada, P, que la que ejerce la presión osmótica el agua pura Π mejor es el reparto y mayor la velocidad del permeado.
Es inmediato observar que, para una densidad del agua de 1000 kg/m³ una columna de 10 metros de altura ejerce sobre su base una presión de 98100 pascales que en la práctica equivalen a una atmósfera de presión.
La membranas trabajarán con presiones hidrostáticas entre 5 a 10 atmósferas que resultan de los desniveles del suministro del agua “virgen”, respectivamente, entre 50 a 100 metros aproximadamente. Con esas presiones y los suficientes bastidores (por ejemplo 10 bastidores con 6 tubos de membranas enrollados) se obtienen caudales de aguas potables, de alta calidad, con Fluoruros por debajo del 1,5 mg/L y alcalinidad y durezas bajos, produciéndose, ademas. rechazos de baja concentración salina que, por tal motivo pueden ser reutilizados.
(4) Utilizar los rechazos. Al tratarse de aguas poco mineralizadas, provenientes de las últimas lluvias, los rechazos en los que se concentrarán todas las sales del caudal de entrada, es decir, se multiplicará x 3 sus concentraciones, en ningún caso alcanzarán una conductividad superior a la máxima legal de 2500 microSiemens. Ello permite sin problemas legales, técnicos, de impacto ambiental o de salud su suso para la limpieza de calles, riego de jardines en zonas que se combina con el riego por lluvias, prevención y apagado de incendios y su uso en la construcción.
En el dibujo esquemático representamos el sistema de ósmosis inversa con un factor de reparto del 66,6% (⅔ AP + ⅓ Rechazo) con una conductividad original típica de 300 microSiemens/cm y una concentración de Fluoruros de 10 mg/Kg, proveniente de la galería de Vergara II . En la Estación de potabilización de agua, gracias a un último desnivel de 75 metros, el fluido permea en contra de la presión osmótica que, para esta concentración no supera las dos atmósfera.
La presión de impulsión del agua entrante a través de las membranas, debido a la estática de fluidos, será para esa altura de 7,5 atmósfera sin necesidad de recuperación de la presión remanente en el rechazo. Por ello la velocidad y eficacia del proceso son altas. Incluso con desniveles inferiores, de hasta 50 metros, se podría obtener el adecuado permeado.
El rechazo salino de esta estación de ósmosis inversa nada tiene que ver con los obtenidos en la desalación de agua de mar o de pozos muy salinificado por el exceso de extracción hídrica. Todo lo contrario, su concentración salinas son de bajo nivel, tales que se permiten su uso en el riego de jardines, limpieza de calles, construcción, y prevención de incendios forestales o urbanos. Ello implica un importante ahorro frente a los tradicionales modelos de afino basados en sistemas de electrodiálisis reversibles.
En todos estos usos para el agua de rechazo los niveles de 30 mg/L de fluoruros de la misma no implica problema y está autorizados. (los niveles de fluoruros de las pastas dentífricas habituales superan los 1000 mg/L)
En Corralejo, Fuerteventura, a 24 de junio de 2021.
Julio Muñiz Padilla.
