Una unidad de desalinización a energía solar produce agua potable a partir de agua salada a través de métodos directos o indirectos de desalinización accionada por el sol. La energía solar es la fuente de energía renovable más prometedora debido a su capacidad de impulsar los cada vez más populares sistemas de desalinización térmicos directamente hacia colectores solares y de impulsar los sistemas de desalinización física y química indirectamente a través de celdas fotovoltaicas.

La desalinización solar directa produce destilados directamente en el colector solar. Un ejemplo sería un destilador solar el cual atrapa la energía del sol para obtener agua dulce a través del proceso de evaporación y condensación. La desalinización solar indirecta incorpora sistemas de recolección de energía solar con sistemas de desalinización convencionales como la destilación instantánea de múltiples etapas, evaporación de efecto múltiple, separación por congelación u ósmosis inversa para producir agua dulce.Solar thermal desalination technologies

Desalinización solar directa

Destilador solar Un tipo de unidad de desalinización solar es un destilador solar, que es similar a una trampa de condensación. Un destilador solar es una manera simple de destilar agua, usando el calor del sol para conducir una evaporación del suelo húmedo, y el aire circundante para enfriar un film de condensación. Los dos tipos básicos de destiladores solares son el de caja y el de pozo. En un destilador solar de pozo, el agua impura es contenida fuera del colector, donde es evaporada por los rayos solares a través de un plástico transparente. El vapor del agua pura se condensa con la menor temperatura dentro de la superficie de plástico y gotea desde un punto bajo ponderado, donde es recoge y se retira. El destilador de tipo caja es más sofisticado. Los principios básicos de un destilador solar son simples y efectivos, pues la destilación replica la forma en la que la naturaleza produce la lluvia. La energía del sol calienta el agua hasta el punto de evaporación. Cuando el agua se evapora, éste vapor sube y se condensa en la superficie de vidrio donde se recolecta. Este proceso remueve impurezas, tales como sales y metales pesados, y elimina organismos microbiológicos. El resultado final es un agua más limpia que la más pura agua de lluvia.

Desalinización por humidificación - deshumidificación (HDH) El método de humidificación-deshumidificación solar (HDH) es un método de desalinización de agua termal. Este consiste en la evaporación del agua de mar o agua salobre y la posterior condensación del aire húmedo generado, principalmente este proceso se lleva a cabo a presión ambiente. De esa manera, imita el ciclo natural del agua, pero en un período de tiempo mucho más corto.

Una de las principales ventajas que presenta el HDH es que utiliza componentes separados para la recolección solar, el calentamiento de agua, la evaporación y la condensación del agua. Este hecho permite que cada componente sea diseñado de forma independiente y permite una flexibilidad mayor en el diseño del ciclo termodinámico, lo que produce un GOR (Gain Output Ratio) significativamente más elevado, produciendo que el área total del recolector sea más pequeña.

Además, presenta otras ventajas como que sus componentes son relativamente simples y económicos, lo que les permite trabajar en un amplio rango de salinidad del agua de alimentación sin la necesidad de operaciones de mantenimiento complejas.

El inconveniente principal es que el sistema HDH es que los requisitos de energía térmica son relativamente altos en comparación con otras tecnologías.

Hay 4 tipos de ciclos de HDH, los cuales se pueden clasificar según se calienta el aire o el agua con energía solar y según si el circuito de aire o de agua es de circuito abierto o cerrado. Los que existen son los siguientes: el circuito de agua cerrado y caliente mientras tiene el circuito del aire está abierto; los circuitos abiertos con el del aire calentado; el circuito de aire abierto y caliente mientras el del agua está cerrado; y el circuito de aire cerrado y caliente mientras el del agua está abierto.

Desalinización solar indirecta Los sistemas de desalinización solar indirecta comprenden dos subsistemas principales: un sistema de captación de energía solar y un sistema de desalinización. El sistema de captación puede aprovechar la energía solar en forma de calor mediante colectores solares, o convertir la radiación solar en electricidad a través de paneles fotovoltaicos, la cual se utiliza para alimentar el proceso de desalinización.

En función del principio de separación empleado, los métodos de desalinización indirecta se clasifican generalmente en dos grandes categorías: métodos térmicos y métodos de membrana. Los métodos térmicos, como la destilación multietapa (MSF) o la destilación de múltiple efecto (MED), utilizan energía térmica para evaporar el agua y posteriormente condensarla, separándola de las sales disueltas. Por otro lado, los métodos de membrana, como la ósmosis inversa (OI), la destilación por membrana (MD) o la ósmosis directa (FO) emplean membranas semipermeables para separar el agua de los solutos, normalmente impulsados por presión o gradientes de concentración.

Esta clasificación permite adaptar la tecnología de desalinización a las condiciones energéticas, económicas y de calidad del agua de alimentación, siendo los sistemas de membrana generalmente más eficientes energéticamente, mientras que los sistemas térmicos presentan mayor robustez frente a aguas de alta salinidad.

Ósmosis inversa impulsada por energía solar La ósmosis es un fenómeno natural en el cual el agua pasa a través de una membrana de una concentración de solución más baja hacia una más alta. El flujo del agua puede invertido si una presión más grande que la presión osmótica es aplicada en el lado de la concentración más alta. En los sistemas de desalinización por ósmosis inversa, la presión del agua de mar es elevada sobre su presión osmótica natural, forzando al agua pura a través de los poros de la membrana hacia el lado de agua fresca. La ósmosis inversa (OI) es el proceso más común de desalinización en términos de capacidad instalada debido a su eficiencia energética superior comparada con sistemas de desalinización térmica, aunque requiere un pretratamiento extensivo. Además, parte de la energía mecánica consumida se puede recuperar del efluente de salmuera con un dispositivo de recuperación de energía.

La desalinización por ósmosis inversa impulsada por energía solar es común en plantas de demostración debido al modularidad y escalabilidad de ambos sistemas, el fotovoltaico (FV) y el de ósmosis inversa (OI). Un análisis económico detallado y una exhaustiva estrategia de optimización de desalinización OI por medio de sistemas FV fue llevada a cabo con resultados favorables. Las consideraciones económicas y de confiabilidad son los principales retos a mejorar en sistemas de desalinización por OI alimentados mediante sistemas FV. Aun así, la rápida caída en los costos de los paneles FV está haciendo a los sistemas impulsados por energía solar más factibles que nunca.

Una unidad de desalinización por ósmosis inversa impulsada por energía solar diseñada para las comunidades remotas ha sido probada en el Territorio del Norte de Australia. La "reverse-osmosis solar installation" (ROSI) (instalación solar de ósmosis inversa), utiliza filtración por membranas para proporcionar agua potable fiable y limpia proveniente de fuentes como agua subterránea salobre. La energía solar supera el normalmente alto costo de la energía operativa así como también los gases de efecto invernadero de los sistemas convencionales de ósmosis inversa. ROSI también puede remover trazas de contaminantes como el arsénico y el uranio que pueden causar ciertos problemas de salud, y minerales como el carbonato de calcio que ocasiona la dureza del agua.

La líder del proyecto Dra. Andrea Schaefer de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Wollongong dijo que ROSI tiene el potencial de llevar agua limpia a comunidades remotas de Australia que no tienen acceso a una fuentes de agua de una ciudad y/o la red eléctrica.

El agua subterránea (que puede contener sales disueltas u otros contaminantes) o agua superficial (que puede poseer alta turbidez o contener microorganismos) se bombea a un tanque con una membrana de ultrafiltración, la cual remueve virus y bacterias. Esta agua es apta para limpieza y aseo personal. El diez por ciento de esa agua se somete a nanofiltración y ósmosis inversa en la segunda etapa de purificación, la cual remueve sales y trazas de contaminantes, produciendo así agua potable. Una red solar fotovoltaica sigue al sol e impulsa a las bombas necesarias para procesar el agua, usando la abundante luz solar disponible en las remotas regiones de Australia que no cuentan con red eléctrica disponible.PV-Powered Desalination in Australia: Technology Development and Applications

La energía solar fotovoltaica es considerada una opción para impulsar una planta de desalinización por ósmosis inversa. La tecnoeconomía tanto en modo Autónomo y en modo híbrido Fotovoltaico-biodiésel para capacidades de 0.05 MLD a 300 MLD (millones de litros de agua salada por día) fueron examinadas por los investigadores del IIT Madras. Como un demostrador de la tecnología, una planta con capacidad de 500 litros/día ha sido diseñada, instalada y está allí operativa.

Almacenamiento de energía Mientras la naturaleza intermitente de la luz solar y su intensidad variable durante el día hace desafiante al proceso de desalinización en la noche, varias opciones de almacenamiento de energía pueden ser usadas para permitir una operación de 24 horas. Las baterías pueden almacenar energía solar para uso en la noche. Los sistemas de almacenamiento de energía en forma de calor aseguran un rendimiento constante por la noche o en días nublados, mejorando eficiencia general.Low temperature desalination using solar collectors augmented by thermal energy storage Alternativamente, la energía gravitacional almacenada puede ser aprovechada para proporcionar energía a una unidad de ósmosis inversa alimentada por energía solar durante las horas en las que no hay luz solar.

Ósmosis directa impulsada por energía solar (FO) La ósmosis directa es una tecnología de desalinización basada en el uso de una membrana semipermeable y una solución de arrastre (draw solution) con alta presión osmótica para inducir el paso de agua desde una solución salina hacia una solución más concentrada. A diferencia de la ósmosis inversa, este proceso no requiere la aplicación de altas presiones externas, ya que el flujo de agua está impulsado por el gradiente de presión osmótica entre ambas soluciones.

El proceso de FO consta generalmente de dos etapas principales: la transferencia de agua a través de la membrana hacia la solución de arrastre y la posterior recuperación del agua dulce a partir de dicha solución mediante un proceso de separación adicional . Entre sus principales ventajas destacan su menor consumo energético, menor propensión al ensuciamiento de las membranas y una mayor eficiencia en la recuperación de agua en comparación con procesos convencionales.

En sistemas de desalinización solar, la FO puede integrarse con fuentes de energía térmica o fotovoltaica para facilitar la regeneración de la solución de arrastre, dando lugar a configuraciones híbridas conocidas como sistemas solar-driven FO. Estas configuraciones presentan un gran potencial para aplicaciones en regiones remotas o con recursos limitados, debido a su bajo requerimiento energético y su capacidad para operar con fuentes de energía renovable .