Estrés hídrico – la desalinización como alternativa
La escasez de agua y la variabilidad de su disponibilidad se han vuelto comunes en el contexto del cambio climático. Se estima que alrededor del 25% de la población mundial vive en países con estrés hídrico como Chile, cuyo escenario es crítico, sobre todo en las regiones del norte y centro del país. En consecuencia, en los últimos años, muchos países han adoptado la desalación para satisfacer sus necesidades de agua. Este proceso consiste en la producción de agua dulce a partir de fuentes salinas. Si la fuente es el mar, el agua es succionada desde una bocatoma para ser sometida a una serie de procesos de acondicionamiento y separación. La separación por membranas de ósmosis inversa es la tecnología más extendida. Como subproducto, se genera una salmuera con una concentración de sal 3 veces mayor a la del agua de mar.
Para 2022, se estimó que había aproximadamente 21.000 plantas de desalinización en todo el mundo, generando 99 millones m3/d de agua desalada y 150 millones m3/d de salmuera como subproducto (Eyl-Mazzega y Cassignol, 2022). Aunque se han realizado muchas investigaciones para explotar esta salmuera, en la mayoría de los casos esta corriente se descarga nuevamente al océano y, si bien hay cierta evidencia de que la salmuera puede afectar el ecosistema donde se dispone, existen diversos factores que podrían minimizar este efecto desde un punto de vista ingenieril. Por ello, el interés en conocer las condiciones de descarga que puedan minimizar los posibles impactos ambientales negativos.
Agua fresca obtenida de fuente marina que debió ser desalada.
¿Cómo puede aportar la modelación?
Una campaña de medición in-situ de la salinidad del agua puede ayudar a dilucidar el efecto inmediato de la descarga de salmuera en las condiciones del agua de mar. Sin embargo, la falta de datos fiables, la variabilidad de las mediciones, el costo, el riesgo y la duración de la campaña pueden perjudicar la solidez de las conclusiones. Como alternativa, se pueden utilizar diferentes enfoques de modelado para estimar los mismos efectos. Por una parte, existen softwares comerciales especializados para estudiar la dispersión de la pluma de salmuera, los cuales aplican premisas estandarizadas y relaciones empíricas desarrolladas para casos específicos. Sin embargo, estas suposiciones pueden disminuir las capacidades predictivas de la herramienta debido a que es difícil extrapolarlas a otras condiciones y/o situaciones geográficas. Por otra parte, la dinámica de fluidos computacional (CFD) se puede utilizar para proporcionar una comprensión más profunda de los fenómenos subyacentes que tienen lugar durante el proceso de descarga de salmuera, en particular de los efectos en el entorno cercano del sistema. Este enfoque de modelado ha ido ganando atención como una herramienta rentable para estudiar este tipo de procesos.
Virtualización de un entorno marino real con su mallado y los patrones de flujo de corriente.
El equipo de Modela, usando herramientas de software libre como OpenFOAM, ha desarrollado capacidades de modelación CFD para representar el transporte de la pluma de salmuera con un alto nivel de precisión. Estos son algunos de los factores que pueden estudiarse mediante CFD para optimizar la dilución de la descarga de salmuera:
Dispersión de la pluma de salmuera
Una de las principales preocupaciones durante la descarga de salmuera es lograr una dilución eficiente de la pluma, para que la zona impactada por el aumento de la concentración de sal sea lo más pequeña posible. Para ello, es clave entender los fenómenos de difusión y flotación, que son los principales responsables del transporte de la pluma. El primero depende principalmente del flujo de inyección de la salmuera al mar y, en menor grado, del transporte molecular de la sal; mientras que el segundo depende de las diferencias de densidad entre el agua de mar y la pluma.
El desarrollo e interacción de estos fenómenos puede predecirse utilizando modelos CFD, ya que son representados mediante las ecuaciones de momento, turbulencia y continuidad. Y, por lo tanto, su resolución permite evaluar el alcance espacial de la pluma de salmuera. Esto, a su vez, nos permite analizar el potencial impacto ambiental de la pluma, bajo diferentes umbrales de tolerancia de aumento de la concentración de sal.
Difusión de pluma de salmuera bajo dos caudales de descarga diferentes.
Diseño sistema emisor
Los difusores por donde se descarga la salmuera pueden tener diferentes formas, número, ángulo, distancia, etc. Cada una de estas variables influye en el impacto que puede tener la salmuera en el entorno marino.
Mediante modelación CFD, pueden virtualizarse diferentes diseños de interés y simular su operación en un cierto dominio marino, por ejemplo, para analizar comparativamente la eficiencia de una boquilla plana versus pico de pato. Esta capacidad predictiva puede ser aprovechada tanto por las empresas tecnológicas que desarrollan, construyen e implementan estas tecnologías, para respaldar la construcción y comercialización de algún u otro emisario, como también por las empresas operadoras de plantas de desalinización, en la toma de decisión del mejor sistema para su sitio de descarga.
Influencia del entorno marino
Los entornos marinos son cambiantes a nivel de corrientes, salinidad y temperatura durante el año. Estas condiciones pueden afectar la dispersión de la pluma, aumentando o disminuyendo el alcance de ésta.
Mediante el establecimiento de condiciones de borde apropiadas en el dominio, un modelo CFD puede incorporar las variaciones de estas propiedades del agua de mar con respecto a la profundidad o a la extensión del dominio y, así, tener una estimación del comportamiento del sistema de descarga de salmuera ante distintas condiciones climáticas y/o estacionales.
Entorno marino y la costa.
Conclusión
La incertidumbre climática y una creciente demanda de recursos hídricos está forzando a diversificar las fuentes de agua y, para ello, la desalación jugará un rol preponderante. En este contexto, el prototipado y pilotaje virtual de los sistemas de descarga de salmuera se presenta como una herramienta para reducir el impacto en el entorno marino, tomando en cuenta factores claves como las condiciones climáticas y estacionales, el diseño del emisario y las condiciones de operación de los difusores. La capacidad computacional actual permite explotar estos gemelos digitales y reducir la incertidumbre para apuntar a hacia mejorar la sostenibilidad de este proceso en el largo plazo.