Desalación solar para la sostenibilidad del nexo agua-energía-alimentos y la economía circular de salmueras: el proyecto nacional MEMBRINE

Aunque el continuo desarrollo industrial de la desalación es de vital importancia para la obtención de agua dulce, la sostenibilidad de las tecnologías actuales es cuestionable. Las altas emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al uso de combustibles fósiles y los posibles daños medioambientales derivados de una incorrecta gestión de las salmueras residuales sugieren un cambio en el paradigma de uso y gestión del agua.

La sostenibilidad del nexo agua-energía-alimentos y la minería de salmueras

La escasez de agua dulce es uno de los desafíos más críticos en la actualidad en todo el mundo, ya que representa una amenaza importante para el crecimiento económico, la seguridad alimentaria y la conservación de los ecosistemas. 

Alrededor del 41 % del territorio español se encuentra en estado de emergencia hídrica [1], y la agricultura representa alrededor del 70 % del consumo total de agua [2]. Esta enorme demanda de agua supone un riesgo notable para la sostenibilidad agrícola de regiones áridas y semiáridas como Andalucía. 

Las actividades agrícolas en esta región contribuyen con un 6,5 % al PIB y dan empleo a alrededor del 9 % de la población [3]. Concretamente, la agricultura intensiva basada en invernaderos destaca entre otras por su rendimiento económico. La mayor acumulación de estas instalaciones en el mundo (más de 32 000 hectáreas) se encuentra en Almería, una de las regiones más áridas de España, donde la capacidad de carga de los acuíferos se ha visto superada por la demanda de agua, con el consiguiente daño medioambiental y económico.

La desalación es una técnica ampliamente implementada a escala industrial para obtener agua dulce del mar o de fuentes salinas continentales. Actualmente, se producen al día alrededor de 100 millones de m³ de agua dulce desalada en todo el mundo, pero con una enorme demanda energética que está asociada a emisiones de unos 100 millones de toneladas de CO₂ al año a la atmósfera, procedentes del uso de combustibles fósiles como fuente de energía primaria. 

De este modo, la desalación contribuye al calentamiento global, y por ello la Unión Europea ha reiterado la necesidad de una gestión integral y sostenible del nexo agua-energía-alimentos. Este hecho invita a pensar en el uso de fuentes de energía renovables para reducir la huella de carbono de la desalación, tal y como recoge la Consejería de Sostenibilidad, Medio Ambiente y Economía Azul de la Junta de Andalucía en el borrador actual de la Estrategia Andaluza de Economía Azul Sostenible. 

La coincidencia geográfica de la demanda de agua dulce y la disponibilidad de energía solar, como es el caso en la cuenca mediterránea española, da la oportunidad de usar este recurso energético en la obtención mediante desalación del agua necesaria para mantener la actividad agrícola intensiva de esta región.

Además, la desalación industrial genera enormes volúmenes de salmuera que son vertidos al mar, acuíferos o lagos, perjudicando tanto a los ecosistemas como a la salubridad del agua. Para evitar estos vertidos, la minería de salmuera se propone como una solución viable para su reciclaje en un contexto de economía circular. 

Según el paradigma de Vertido Líquido Cero, se deben desarrollar tecnologías robustas y eficientes para reducir al máximo el volumen de dichas salmueras, produciendo más agua dulce, también apta para uso agrícola, y facilitando así las operaciones posteriores de cristalización de especies minerales y metales de alto valor tecnológico como litio o magnesio, incluidos en la Lista de Materias Primas Críticas de la Comisión Europea.

El proyecto nacional MEMBRINE en el marco del Living Lab 'Desalación Sostenible'

El proyecto nacional MEMBRINE, financiado por el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, abordando diferentes retos descritos en el Plan de Acción para la Implementación de la Agenda 2030, tiene como objetivo el desarrollo e implementación de un proceso sostenible de desalación solar a escala comercial basado en destilación por membranas, capaz de contribuir a la obtención de agua dulce apta para uso agrícola, y a la reutilización y reducción de residuos hipersalinos industriales en el contexto de Vertido Líquido Cero (Fig. 1).

Las actividades del MEMBRINE se realizan siguiendo los principios de Innovación Abierta en el marco del Living Lab 'Desalación Sostenible', desarrollado en CIEMAT-Plataforma Solar de Almería, reconocida como Instalación Científico-Técnica Singular (Fig. 2). 

También se utilizan las instalaciones de desalación solar en el Instituto Andaluz de Investigación y Formación Agraria, Pesquera, Alimentaria y de la Producción Ecológica (IFAPA) (Fig. 3). Este Living Lab permite aumentar el impacto y la aplicabilidad del proyecto, e incluye a todas las partes involucradas en la gestión eficiente del agua y su economía circular, como son gobierno, industria, academia y usuarios.

La tecnología novedosa utilizada en el MEMBRINE es la destilación por membranas asistida con vacío (V-AGMD, siglas en inglés de vacuum-assisted air gap membrane distillation). Es una operación de desalación térmica en la que se usa una membrana hidrofóbica y microporosa como barrera para las sales minerales contenidas en la salmuera de alimentación, dejando pasar a través de sus poros solamente vapor de agua completamente libre de sales, que es posteriormente condensado. 

Los módulos de membranas utilizados tienen configuración de arrollamiento en espiral con múltiples canales de evaporación y refrigeración. La circulación a contracorriente de la alimentación por ambos tipos de canales permite recuperación interna de calor. 

Como se ve en la Fig. 4, el vapor contenido en la alimentación caliente que entra a los canales de evaporación pasa a través de los poros de la membrana y de los huecos de aire, y es condensado sobre láminas y recogido como líquido en un tanque de descarga externo al módulo. A la vez, el calor latente de condensación de este vapor es recuperado como calor sensible para precalentar la alimentación fresca que entra a los canales de refrigeración, lo que permite disminuir la energía térmica externa requerida para calentar hasta la temperatura de entrada a los canales de evaporación. La salida de los canales de evaporación es alimentación más concentrada en sales que la inicial, de modo que múltiples pasos por el módulo permiten concentrarla cada vez más.

La difusión del vapor a través de los poros de la membrana y los huecos de aire se ve favorecida por la eliminación de parte del aire contenido en estos huecos interiores de los módulos, cuya función es dar cierto aislamiento térmico a la membrana y evitar pérdidas de calor. Como se puede ver en la Fig. 5, el uso de vacío (200 mbar abs) ha hecho mejorar el rendimiento de la operación V-AGMD en términos de flujo de permeado y consumo térmico específico, con respecto a la operación AGMD, sin vacío. En concreto, el flujo de permeado se ha incrementado entre un 40 % para concentración de 0,6 mol L^-1 (35 g L^-1 ) y un 230 % para concentración de 4,0 mol L^-1  (234 g L^-1 ), mientras que el consumo térmico específico se ha reducido entre un 50 % y un 75 % para las mismas concentraciones. Además, el uso de vacío ha permitido obtener flujo de permeado con salmueras concentradas de 5,0 mol L^-1  (292 g L^-1 ), imposibles de tratar con AGMD por la ausencia casi total de producción.

La tolerancia a la salinidad de las membranas de MD permite que la V-AGMD pueda ser parte de los procesos de minería de salmueras, a diferencia de las membranas de ósmosis inversa industrial, cuyo rendimiento se deteriora por encima de unos 70 g/L de concentración. 

Estudios recientes han demostrado la viabilidad de la energía solar térmica de baja temperatura (no superior a 80 ºC) para generar el vapor destilado [4], y han certificado, como muestran los resultados recogidos en la Fig. 5, la capacidad de los módulos espirales de V-AGMD a escala comercial para concentrar de manera eficiente salmueras residuales desde 50-60 g/L (concentración típica del rechazo de ósmosis inversa) hasta más de 240 g/L sin pretratamientos químicos [5]. Esto permite, por un lado, obtener agua dulce adicional a la ya producida en el proceso de desalación que generó la salmuera inicial y con unos parámetros de calidad aptos para su uso en los cultivos, y por otro, hacer más económicos los tratamientos posteriores de cristalización de las sales minerales existentes en la salmuera.

El tratamiento de salmueras mediante V-AGMD a escala comercial no había sido descrito en la literatura científica hasta el inicio del desarrollo de las actividades del proyecto MEMBRINE. Dentro del contexto del nexo agua-energía-alimentos, se ha evaluado con éxito el tratamiento de salmuera real procedente de ósmosis inversa en una unidad V-AGMD comercial con hasta 10 módulos operables en paralelo, instalada en IFAPA (Fig. 3) y conectada también térmicamente a una caldera de biomasa [6]. 

En este estudio, se obtuvo producción de agua dulce de 213 L/h, aunque se estima que la unidad V-AGMD tiene potencial para doblar ese caudal. Su salinidad es inferior a 1 g/L, lo que permite que sea apta para el riego de los cultivos en un invernadero experimental de IFAPA. Por otro lado, la biomasa residual generada en él puede alimentar la caldera que proporcionará la energía térmica a la V-AGMD cuando no haya disponibilidad de energía solar. A su vez, los gases de escape de la caldera, ricos en CO2, son aportados a los cultivos del invernadero experimental (Fig. 6), de manera que tanto el residuo gaseoso como el sólido son aprovechados.

Los resultados novedosos del proyecto MEMBRINE contribuirán de manera significativa a implementar este proceso a escala comercial y a desarrollar una actividad agrícola e industrial que aporte sostenibilidad al nexo agua-energía-alimentos.

Referencias

1. AEDyR Newsletter December 2023: “El 41% del país se encuentra en situación de emergencia (14,7 %) o alerta/excepcionalidad (26,3 %) por escasez de agua, en especial Cataluña, mitad norte de Aragón, centro de Castilla y León, sur de Extremadura y Castilla-La Mancha y casi en toda Andalucía”.
2. AQUASTAT FAO: “Information system on water and agriculture” (http://www.fao.org/aquastat/en/overview/methodology/water-use).
3. Consejería de Agricultura de la Junta de Andalucía: “El sector agrario y pesquero en Andalucía”.
4. G. Zaragoza, J.A. Andrés-Mañas, A. Ruiz-Aguirre: “Commercial scale membrane distillation for solar desalination”, npj CleanWater 1 (2018) 1–6.
5. J.A. Andrés-Mañas, I. Requena, G. Zaragoza: “Membrane distillation of high salinity feeds: Steady-state modelling and optimization of a pilot-scale module in vacuum-assisted air gap operation”, Desalination 553 (2023) 116449.
6. J.A. Andrés-Mañas, Juan D. Gil, J.A. Sánchez-Molina, M. Berenguel, G. Zaragoza: “Operation, control and assessment of a full-scale membrane distillation unit for treating desalination brine in the context of greenhouse production”, Journal of Cleaner Production 503 (2025) 145186.