Blocs de VilaWeb

Ens preguntem en aquest treball si és cert que cal molt poca energia elèctrica per dessalinitzar aigua de mar.

(Extret d’un treball de “Sustainability by numbers” (sostenibilitat basada en dades) d’Hannah Ritchie, 19-IX-2024).

Nota del traductor: Ús didàctic

Les dades d’aquest treball són ben aprofitables en qualsevol aula de ciències, de medi ambient, de tecnologia, de ciència i societat, etc. Permeten fer debats a classe, i treballs, sobre aspectes de tant d’interès social com l’aprofitament de l’aigua i les dessalinitzadores.

En el lloc web de l’autora (imatge de dalt) hi ha un munt d’informació sobre altres temes relacionats amb la sostenibilitat del nostre planeta. I tots els seus treballs i discussions estan basats en dades i en càlculs contrastables.

Sinopsi

Elon Musk ha dit diverses vegades recentment (com ara al Fòrum Mundial de l’Aigua) que la dessalinització és “absurdament barata“. Aquesta afirmació resulta sorprenent perquè fa un temps s’escoltava el mantra que la dessalinització “utilitza molta energia i és molt cara“.

La dessalinització barata permetria proporcionar aigua neta als que no en tenen suficient, per fer que les societats siguen més resistents als períodes de sequera, i per alleujar la pressió sobre els recursos d’aigua subterrània.

Explorem, doncs, aquest tema, i vegem què diuen les xifres sobre les perspectives de la dessalinització. Dos advertiments, abans de començar:

• Ens centrarem en l’ús d’energia i els costos de la dessalinització. No analitzarem la quantitat d’aigua de salmorra que es genera ni com gestionar-la d’una manera ambientalment sostenible. No perquè això no sigui important, sinó perquè allargaria massa aquest treball.
• Per poder parlar de xifres concretes, farem hipòtesis genèriques i poc realistes com ara que ‘totes les llars dels EUA consumiran aigua domèstica de dessalinitzadores’, o ‘tothom, visca on visca en la Terra, necessita aigua potable dessalada per al dia a dia’. Són escenaris extremadament improbables, però útils per fer-nos una idea de la magnitud dels problemes i de la possible contribució de la dessalinització a resoldre’ls.

Foto: Dessalinitzadora del Llobregat, Barcelona. (Font)

Continguts

• Nota del traductor: Ús didàctic.
• Sinopsi
• Foto: Dessalinitzadora del Llobregat, Barcelona. (Font)
• Continguts.
• Tecnologies de dessalinització.
• Millora constant de l’eficiència energètica.
• Figura 1: Disminució del consum específic d’energia (kWh/m³) per membranes d’osmosi inversa. (Font).
• Energia per dessalinitzar tota l’aigua d’una llar.
• Figura 2: Energia elèctrica anual (kWh) per dessalinitzar aigua de consum domèstic i per a altres usos típics d’una llar dels EUA. (Font).
• Figura 3: Demanda d’energia elèctrica per a dessalinització i demanda total d’energia en països menys desenvolupats (càlculs per persona).
• Energia per subministrar aigua potable per a tothom.
• Figura 4: Energia elèctrica necessària per proporcionar a cada persona: a) aigua potable (3 L), b) el mínim segons l’OMS (50 L). c) Energia total produïda mundialment.
• La dessalinització i la factura elèctrica d’una llar.
• Utilització d’aigua dessalada per a l’agricultura.
• Figura 5: Consum d’aigua en agricultura i necessitats energètiques si se substituís per aigua dessalinitzada. (Font).
• Conclusions i comentaris finals.
• Apèndix: Osmosi i osmosi inversa.
• Figura 6: Osmosi (esquerra) i Osmosi inversa (dreta). (Font).
• Figura 7: Osmosi.
• Càlculs i referències.
• 1) Energia per dessalinitzar un metre cúbic d’aigua.
• 2) Energia per dessalinitzar l’aigua que consumeix una llar dels EUA.
• 3) Energia per potabilitzar 3 L d’aigua per habitant i any, a tot el món.
• 4) Font de la Figura 1.
• 5) Cost total d’1 m d’aigua dessalinitzada.
• 6) Font de la Figura 2.
• 7) Costos de les plantes dessalinitzadores.
• 8) Dades agrícoles.
• 9) Cost de la producció de dacsa als EUA.

_______________________________________________________________________

Tecnologies de dessalinització

Hi ha actualment dues tecnologies de dessalinització efectives, la tèrmica i la d’osmosi inversa (vegeu l’Apèndix 1).

La dessalinització tèrmica utilitza calor per evaporar l’aigua (separant-la de les sals i les impureses) abans de tornar-la a condensar. L’aigua salada (salmorra) resta a banda.

L’osmosi és un procés essencial per a la fisiologia cel·lular dels éssers vius. En l’osmosi inversa, s’aplica pressió per empènyer l’aigua salada a través d’una membrana semipermeable, que atura la sal i les impureses i deixa passar només l’aigua dolça.

La majoria de les plantes dessalinitzadores són d’osmosi inversa (perquè la dessalinització tèrmica fa servir molta més energia per metre cúbic d’aigua, entre tres i cinc vegades més). Farem estimacions, doncs, per a plantes d’osmosi inversa.

Millora constant de l’eficiència energètica

Les tecnologies d’osmosi inversa s’han tornat molt més eficients energèticament durant les últimes dècades. Podeu veure-ho en la Figura 1, que va del 1978 al 2008.

A la dècada de 1970 es necessitaven uns 20 kWh per dessalar un metre cúbic d’aigua. Avui aquesta xifra oscil·la entre 2,5 i 3,5 kWh/m³. Es pensa que el mínim teòric d’eficiència per a l’osmosi inversa és d’1 kWh/m³, però sembla difícil arribar-hi. Per aconseguir un consum energètic inferior a 1 kWh/m³ caldria cercar un procés diferent.

Per als càlculs següents, suposarem que l’osmosi inversa requereix 3,5 kWh/m³, tot i que algunes plantes dessalinitzadores en actiu en fan servir menys.

Figura 1: Disminució del consum específic d’energia (kWh/m³) per membranes d’osmosi inversa. (Font).

Energia per dessalinitzar tota l’aigua d’una llar

Què passaria amb la demanda d’electricitat si els països obtinguessin tota l’aigua domèstica a partir de dessalinitzadores? Una llar mitjana nord-americana fa servir diàriament uns 1.135 L d’aigua. Dessalinitzar aquest volum d’aigua augmentaria la demanda elèctrica de la llar en un 13% (seguiu l’enllaç anterior per veure els càlculs).

Una llar mitjana del Regne Unit utilitza menys aigua, uns 349 L/dia, però també consumeix menys electricitat, de manera que la dessalinització augmentaria la demanda elèctrica d’una llar mitjana del Regne Unit en una quota similar, un 15%.

Posem aquesta demanda addicional d’electricitat en el context d’una llar mitjana dels Estats Units. En la Figura 2 es compara la demanda anual d’energia per a dessalinitzar (1450 kWh) amb altres usos domèstics típics. La dessalinització faria servir una quantitat important d’electricitat, però no exagerada; està a un nivell similar a altres tecnologies com la deshumidificació. La planta dessalinitzadora faria servir molta menys energia, per llar, que l’escalfament d’aigua, o el condicionament tèrmic de la llar.

Figura 2: Energia elèctrica anual (kWh) per dessalinitzar aigua de consum domèstic i per a altres usos típics d’una llar dels EUA. (Font).

Tanmateix, per a llars de països més modestos, 1.450 kWh anuals són molta electricitat. Més de la que fan servir per a tots els usos domèstics en països amb menors ingressos. (Todd Moss sol dir que el consum elèctric d’una nevera de les nostres llars és superior a la demanda total d’electricitat per persona en països menys desenvolupats). A més a més, les llars dels EUA utilitzen molta més aigua que aquelles que es troben en entorns amb més restriccions d’aigua o amb limitacions energètiques.

En la Figura 3 es mostra la demanda d’energia requerida per a  dessalinitzar l’elevat nivell de consum d’aigua dels EUA, 396 kWh/càpita, i amb els 64 kWh/càpita que suposarien abastar el nivell de consum mínim d’aigua per persona que l’OMS xifra en 50 L/persona i dia (per beure, cuinar, rentar-se, etc.; ja hem dit que les persones dels països més rics fa servir molt més que això: al Regne Unit, tres vegades més, i als EUA, sis vegades). I aquestes dues xifres es comparen amb la demanda total d’energia elèctrica per càpita per a tots els usos domèstics d’alguns països amb ingressos baixos.

Dessalinitzar el mínim d’aigua per persona i dia requereix gairebé el mateix que fa servir una persona de Malawi per a tots els seus usos elèctrics. En molts d’aquests països, la demanda d’electricitat per a la dessalinització mínima suposaria un augment de fins el 50% de la factura elèctrica. Tanmateix, el missatge principal d’aquest gràfic no és que la dessalinització siga enormement intensiva en energia, sinó que moltes persones encara viuen en situació de pobresa energètica extrema.

Figura 3: Demanda d’energia elèctrica per a dessalinització i demanda total d’energia en països menys desenvolupats (càlculs per persona).

Energia per subministrar aigua potable per a tothom

Només una part de l’aigua domèstica que fem servir és per beure. Se sol recomanar beure de 2 a 2,5 litres d’aigua al dia. Per ser cautelosos en les xifres suposarem que, comptant vessaments d’aigua, tothom necessita 3 L/dia.

Si fem servir plantes dessalinitzadores per proporcionar aigua potable per a beure a tot el Planeta, uns 8.000 milions de persones, es necessitarien 31 TWh d’electricitat l’any. Actualment el món produeix uns 30.000 TWh d’electricitat anuals, de manera que la potabilització n’augmentaria un minúscul 0,1%.

Per descomptat, les xifres anteriors són exagerades perquè no tothom necessitaria beure aigua provinent de dessalinitzadores. Per altra banda, imaginem que una sequera extrema i increïblement catastròfica deixés sense aigua a un terç del Planeta: es necessitarien només uns 10 TWh/any per subministrar l’aigua potable.

Figura 4: Energia elèctrica necessària per proporcionar a cada persona: a) aigua potable (3 L), b) el mínim segons l’OMS (50 L). c) Energia total produïda mundialment.

Si haguéssim de proporcionar el mínim recomanat per l’OMS, 50 L/persona i dia (per a totes les necessitats, no només beure) per a 8.000 milions de persones, necessitaríem anualment 511 TWh d’energia elèctrica, és a dir, l’1,7% del que produeix actualment el món, vegeu la Figura 4.

La dessalinització i la factura elèctrica d’una llar

Aquí em centraré en el cost en la factura elèctrica domèstica per metre cúbic d’aigua dessalinitzada. Les plantes dessalinitzadores a gran escala també necessitarien una inversió de capital important, que probablement serà la barrera més gran per a molts països. La problemàtica no és diferent de la d’alguns projectes renovables en els quals el cost per unitat d’electricitat produïda sovint és molt baix, però les comunitats necessiten trobar el capital necessari per a fer les instal·lacions.

En diversos projectes d’arreu del món els costos totals (màxims) de dessalinització oscil·len entre 1 i 2,50 $/m³, incloent-hi l’amortització de la planta dessalinitzadora, despeses administratives, etc. (Vegeu ací d’on surten les xifres anteriors). Hi ha xifres més optimistes, com ara la planta de Sorek B a Israel, contractada per produir aigua a 0,41 $/m³. Una anàlisi de 107 plantes va trobar un cost mínim de 0,27 $/m³.

Posem aquests números en un context més proper, el familiar. Quant costaria l’aigua dessalinitzada per persona i any? Suposem que l’electricitat costa 0,13 $/kWh, i que el cost total de la dessalinització és tres vegades més car. Com hem dit, una persona als Estats Units fa servir 310 L/dia per a usos domèstics, de mitjana; això li suposaria 0,42 $/persona i dia, o 154 $/any. Al Regne Unit, 0,43 $/persona i dia, o 159 $/ any, una quantitat similar als EUA perquè, tot i que l’electricitat britànica és més cara, s’hi fa servir menys aigua, de manera que els costos s’equilibren. En general, el subministrament domèstic mínim de l’OMS de 50 L/persona i dia costaria al voltant de 0,11 $/dia o 38 $/any; hem estimat un cost de 0,22 $/kWh (una preu major que a EUA o a Xina, però inferior a les tarifes de molts països d’Europa).

El resultat d’aquests càlculs és sorprenent: produir aigua potable per a tothom, 3 L/persona i dia, només costa 2,30 $/persona i any. Això és menys que el cost d’una sola ampolla d’aigua. Són xifres molt més barates del que molts hauríem pensat, i en una situació de crisi de l’aigua podem convenir que dessalinitzar aigua resulta ‘absurdament barat’. És, certament, més car del que a molts de nosaltres ens costa beure de l’aixeta, però bastant barat per tractar-se d’un recurs essencial per a la vida.

Per altra banda, en alguns països més pobres les persones encara viuen amb tan sols 2 $/dia. Obtenir els 50 L/dia d’aigua domèstica a partir de dessalinització consumiria anualment més de la meitat dels ingressos d’un mes (si guanyen 2 $/dia, 38 $/any equivaldrien a uns 19 dies/any d’ingressos personals). Això no és factible.

Utilització d’aigua dessalada per a l’agricultura

Si ens centrem en l’agricultura a l’aire lliure, no en les tecnologies de cultiu interior, l’agricultura és on els costos de la dessalinització comencen a ser inviables. La majoria de les extraccions d’aigua dolça del món, al voltant del 70%, s’utilitzen per a l’agricultura. En alguns països, especialment als tròpics i subtròpics, es pot superar el 90%. Assegurar-se de que la gent tingui aigua potable a casa és crucial durant els períodes d’escassetat d’aigua. Però quan es pateixen períodes de sequera, els cultius es veuen afectats i els subministraments d’aliments escassegen.

Vegem quanta aigua dolça es retira dels aqüífers per a l’agricultura a diferents països i quina quantitat d’energia elèctrica es necessitaria per substituir-la per aigua dessalinitzada. Tinguem en compte que no estem parlant de tota l’aigua que es fa servir a l’agricultura, ja que bona part prové de les pluges. Com podem veure en la Figura 5, la dessalinització per substituir només una part de l’aigua utilitzada per a l’agricultura augmentaria la demanda d’electricitat vora un 50-75% en molts casos. En alguns països l’estrès hídric ja és elevat, i la generació total d’electricitat hauria de duplicar-se o més. Per tant, les tecnologies de dessalinització actuals no seran la xarxa de seguretat agrícola per a sequeres a gran escala.

Figura 5: Consum d’aigua en agricultura i necessitats energètiques si se substituís per aigua dessalinitzada. (Font).

La limitació més gran per a la dessalinització en el camp és el cost. L’ús d’aigua dessalada arruïnaria l’agricultor o faria que els aliments foren molt més cars. Posem l’exemple del blat. Es necessiten uns 650 litres per produir un quilogram de blat (comptant només l’extracció d’aigua dolça, de manera que la petjada total pot ser encara més gran). Es necessitarien uns 2,3 kWh d’energia elèctrica per produir aquesta quantitat d’aigua. Als preus del Regne Unit, per exemple, l’aigua costa 0,66 $. El preu de mercat actual del blat és d’uns 0,22 $/kg. L’aigua seria tres vegades més cara que el preu final del producte.

Vegem un altre exemple. Pel que fa a la producció de dacsa als EUA, l’aigua dessalada costaria 0,20 $/kg. En alguns estats amb preus més alts de l’energia elèctrica, el cost podria ser el doble. El preu actual de mercat de la dacsa és semblant, d’uns 0,20 $/kg. Per tant, la dessalinització duplicaria el preu del producte.

En conclusió, la dessalinització no és una solució per als cultius bàsics que són barats i tenen marges baixos. La dessalinització pot ser econòmicament viable en casos marginals, com ara cultius d’alt valor i cultivats en condicions d’ús de l’aigua molt més eficients, com en interiors. Però encara estem lluny de tenir solucions per al problema de la demanda d’aigua en el cas dels cultius bàsics.

Conclusions i comentaris finals

Tres són les conclusions principals d’aquestes anàlisis:

• Produir aigua potable per a tothom, 3 L/persona i dia, només costaria 2,30 $/any, menys del que paguem per una ampolla d’aigua.
• Els 38 $/persona i any que permetrien proveir 50 L/persona i dia d’aigua dessalinitzada és una xifra inassolible pels habitants dels països menys desenvolupats.
• La dessalinització per a usos agrícoles no és una solució per als cultius bàsics.

A més a més, els lectors d’aquest article han aportat consideracions addicionals:

• No s’ha considerat el transport d’aigua de les dessalinitzadores, les quals es troben al nivell del mar i caldria bombejar-la fins als consumidors finals. Això augmentarà bastant el cost de l’aigua.
• L’eliminació de manera sostenible de la salmorra residual (que està molt concentrada en sals) és un problema important. Es generen al voltant del doble de residus de salmorra que d’aigua produïda.
• Si es redueix el consum de carn de bestiar, i consegüentment la necessitat de produir dacsa per alimentar-lo, la necessitat d’aigua dolça es reduiria també.
• Els 511 TWh que es necessitarien anualment (per proveir 50 L/persona i dia als 8.000 milions d’habitants de la Terra) són comparables amb l’ús actual dels centres de dades d’IA (intel·ligència artificial), i es preveu que aquests centres necessitaran 1500 TWh el 2030. Això dona una idea d’on són les nostres prioritats.
• Cal incloure el cost de construcció de les infraestructures (dessalinitzadores) i la despesa energètica en el transport de l’aigua dessalada. A Califòrnia, per exemple, on ja tenim una gran dessaladora, si comptem l’aigua consumida de totes les fonts, el major consum elèctric (aproximadament un terç del consum de tot l’estat) és per moure l’aigua per tota Califòrnia. El cost de l’aigua és un 15% de la factura, la resta és infraestructures, transport i administració.
• Poca gent s’adona que l’ús domèstic de l’aigua és petit en comparació amb l’agricultura. I, dins de les àrees metropolitanes, el reg de zones verdes fa servir molta més aigua que les llars. Convindria tenir sistemes de distribució separats per a l’aigua potable i la de reg, però s’hi fan plans.
• Els costos de dessalinització encara tenen un llarg camí per recórrer, però almenys van en la direcció correcta.

Apèndix: Osmosi i osmosi inversa

En l’osmosi inversa, s’aplica pressió per empènyer l’aigua a través d’una membrana semipermeable, que elimina la sal i les impureses per deixar passar l’aigua dolça.

La Figura 6 mostra a l’esquerra el procés natural d’osmosi: l’aigua dolça i salada es voldrien barrejar per fer que la concentració de sals siga la mateixa als dos costats de la membrana. En l’osmosi inversa (Figura 6, dreta), s’aplica pressió per superar la pressió osmòtica i revertir-la.

Figura 6: Osmosi (esquerra) i Osmosi inversa (dreta). (Font).

Ací teniu una explicació una mica més detallada de l’osmosi: Quan una dissolució (a la columna de l’esquerra de la Figura 7) es posa en contacte amb el dissolvent (aigua pura a la columna de la dreta) a través d’una membrana semipermeable, membrana que només deixa passar les molècules de dissolvent però no pas les dels soluts, les molècules de dissolvent es difonen cap a la dissolució, aquest fenomen s’anomena osmosi. Es pot arribar a una situació d’equilibri químic contrarestant aquesta tendència mitjançant l’aplicació d’una certa pressió sobre la dissolució, que es coneix com a pressió osmòtica de la dissolució.

Figura 7: Osmosi. (Font)

A la figura adjunta es representen una dissolució separada del dissolvent pur per una membrana semipermeable. Les molècules de dissolvent passen del dissolvent pur a la dissolució concentrada, de manera que el volum de la dissolució concentrada augmenta al mateix temps que es dilueix. Si l’excés de dissolvent es fa pujar per dins d’un tub capil·lar, com es mostra a la figura, s’assolirà un equilibri quan l’augment de la pressió hidroestàtica, proporcional a l’altura h iguale a la pressió del dissolvent per passar cap a la dissolució, la pressió osmòtica. S’impedirà així el pas de més dissolvent cap a la dissolució concentrada.

L’osmosi inversa es pot veure ací.

Càlculs i referències

1) Energia per dessalinitzar un metre cúbic d’aigua.

L’osmosi inversa utilitza entre 2,5 i 3,5 kWh/m³. Les tecnologies tèrmiques utilitzen al voltant de 13 kWh/m³.

2) Energia per dessalinitzar l’aigua que consumeix una llar dels EUA.

Una llar mitjana nord-americana consumeix 1.135 L/dia i per dessalinitzar aquest volum d’aigua calen 1.135 L/dia * 0,0035 kWh/L = 4 kWh/dia o 1450 kWh/any.

3) Energia per potabilitzar 3 L d’aigua per habitant i any, a tot el món.

3 L * 8000 milions de persones * 0,0035 kWh/L = 84000 milions de kWh/dia, o 31.000 milions de kWh/any = 31 TWh/any (terawatt-hora/any).

4) Font de la Figura 1.

Kumar et al. Water Desalinisation: History, Advances and Challenges. (Història, avenços i reptes de la dessalinització de l’aigua).

5) Cost total d’1 m d’aigua dessalinitzada

Comencem per estimar quant costaria només l’energia elèctrica necessària per fer l’osmosi. L’electricitat als EUA costava l’any 2023 uns 0,13 $/kWh (aquesta indústria està subvencionada, de manera que l’energia elèctrica es ven al voltant de 0,09 $/kWh). Si es necessiten 3,5 kWh per produir un metre cúbic d’aigua, llavors costa 0,45 $/m³. (Els preus de l’electricitat en estats com Califòrnia són vora el doble, i allà costaria 0,90 $/m³). Per altra banda, s’estima que el cost de l’energia és al voltant d’un terç dels costos totals de la dessalinització. Si multipliquem per tres els 0,45 $/m³ obtenim uns 1,50 $/m³. (En estats com Califòrnia, uns 2 $/m³).

6) Font de la Figura 2.

Enquesta de consum domèstic d’energia de l’Administració d’informació energètica (Energy Information Administration, EIA).

7) Costos de les plantes dessalinitzadores.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916420313114

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0957582022009594

8) Dades agrícoles.

Aquestes dades no es troben fàcilment, ni estan actualitzades. Hem utilitzat dades de l’Aquastat de la FAO però, per a alguns països, l’any més recent és el 2010. Suposarem que la dessalinització requereix 3,5 kWh/m³. Les dades de generació elèctrica provenen d’Ember (2024).

9) Cost de la producció de dacsa als EUA.

El consum d’aigua pel conreu de dacsa és d’entre 200 i 400 L/kg, uns 0,7-1,4 kWh/kg. Hem suposat unes tarifes d’electricitat als EUA de 0,13 $/kWh.

Us ha agradat aquest article? Compartiu-lo!