El Coste de la Desalinización

1. Introducción

En la década de 1960, la desalinización surgió como uno de los medios más importantes de tratar el agua salina para que alcanzara estándares aceptables de calidad de agua para su uso en diversas partes del mundo y en sectores industriales (Ghaffour, et al., 2012). Los efectos del cambio climático, el crecimiento de la población y el aumento de la industrialización han desempeñado un papel importante en la escasez de agua y han tenido un impacto sustancial en la demanda de agua. Un gran número de países de África, Oriente Medio y Asia están sometidos a una grave presión sobre el agua dulce y se enfrentan a un aumento previsto de la escasez de agua hasta bien entrado 2025. También es importante tener en cuenta que casi el 40 por ciento de la población mundial vive a menos de 100 km de un océano o mar (Ghaffour, et al., 2012), lo que justifica la desalinización de agua de mar como parte integral de la respuesta mundial a la escasez de agua.

Este documento presenta una visión general del costo de la desalinización y los principales componentes del costo de capital asociado (CAPEX) y el costo de operación y mantenimiento (OPEX). Se han presentado ejemplos de costos de instalaciones de desalinización para ilustrar la gama de costos que se pueden esperar y para ayudar en la planificación conceptual y el desarrollo de proyectos de desalinización.

2. Cuota de mercado y tendencias de la desalinización

Las formas más frecuentes de desalinización se pueden dividir en dos tipos de tecnología:

1. Desalinización térmica (utilizando energía térmica para separar el destilado del agua de alta salinidad), representada principalmente por Destilación de Efecto Múltiple (MED) y Destilación instantánea de etapas múltiples (MSF). La compresión mecánica de vapor (MVC, por sus siglas en inglés) se utiliza principalmente para desalinizar TDS altos (> 45,000 mg/l) y/o aguas residuales industriales con fines de reutilización y no necesariamente para usos potables.
2. Separación por membrana de ósmosis inversa (RO), que utiliza una barrera de membrana y energía de bombeo para separar las sales del agua de alta salinidad (típicamente < 45,000 mg/l).

Las tecnologías de desalinización son capaces de tratar agua de una amplia variedad de fuentes, incluidas, entre otras, aguas subterráneas salobres, aguas superficiales, agua de mar y aguas residuales domésticas e industriales. A medida que se han desarrollado y mejorado las tecnologías de desalinización, el costo de construir plantas de desalinización ha disminuido. Esta disminución de los costos ha sido uno de los principales factores de aceptación, crecimiento y éxito de la desalinización. Desde la década de 1960, el costo de la Destilación Instantánea de Etapas Múltiples (MSF) para desalinizar agua ha disminuido aproximadamente en un factor de 10, con costos unitarios aproximados de US 1 10.00/m3 en la década de 1960 a menos de US 1 1.00/m3 ($3.79 por 1000 galones) en 2010. Actualmente, en 2017, en algunos lugares, el costo de MSF ha disminuido hasta en un 20 por ciento desde 2010 debido al desarrollo tecnológico y los precios más bajos de la energía. De manera similar, las mejoras tecnológicas en el diseño de membranas y la integración de sistemas han reducido el costo de desalinizar agua salobre en más de la mitad en las últimas dos décadas (Ghaffour, et al., 2012). Como ejemplo, en 2012, la Junta de Desarrollo del Agua de Texas estimó que el costo total de producción de desalinización de aguas subterráneas salobres oscilaba entre 0 0.29 y 0 0.66 por m3 de capacidad (Arroyo 1.09 a 2 2.49 por mil galones) (Arroyo, et al., 2012). Sin embargo, un estudio de la Asociación de Reutilización de Agua en 2012 mostró que las tendencias de costos de los grandes proyectos de Ósmosis Inversa de Agua de Mar (SWRO) parecen haberse aplanado desde 2005, pero han variado ampliamente en el rango de 0 0,79 a 2 2,38 por m3 ($3,00 a 9 9,00 por mil galones) de capacidad desde entonces (WRA, 2012). Esta amplia variación se debe a muchos factores y variables de costos, que se examinarán en la sección 3.

Los gráficos (Fig. 1 a 5) a continuación se muestran la capacidad total de desalinización y el crecimiento por tipo, ubicación y aplicaciones de usuario final.

2.1 Capacidad total

La capacidad total de desalinización superó los 64 millones de m3/día en 2010 y se aproximó a los 98 millones de m3/día en 2015. La figura 1 muestra cómo la capacidad ha crecido rápidamente en el siglo XXI (Fuente: Datos de GWI Desal & IDA).

Figura 1-Capacidad total de desalinización a nivel mundial (m3 / d)

2.2 Crecimiento y capacidad instalada por región

La mayor capacidad de producción por ubicación se encuentra en Oriente Medio, debido a su falta de fuentes de agua dulce y abundantes recursos energéticos, como se puede observar en las Figuras 2 y 3. El mayor usuario de desalinización por capacidad es el Reino de Arabia Saudita, seguido de los Estados Unidos, los Emiratos Árabes Unidos, Australia, China, Kuwait e Israel.

Figura 2 – Capacidad de desalinización por país

Los 15 principales mercados de desalinización para un período de nueve años de 2007 a 2016 se muestran en la Figura 3. Los Estados Unidos han registrado el mayor aumento de la capacidad instalada desde 2012.

Figura 3-Cuota de mercado de la desalinización 2007 – 2016

2.3 Capacidad instalada por tecnología

La figura 4 muestra la capacidad instalada frente a la tecnología. El tipo predominante de tecnología de desalinización utilizada hoy en día es la Ósmosis inversa (RO). El uso de RO ha sido una compensación entre los gastos operativos bajos (usando energía electromecánica vs. energía térmica típicamente más cara) vs. alto CAPEX (debido al costo y la vida útil relativamente corta de las membranas, por lo que el costo de reemplazo es alto). A lo largo de los años, los precios de las membranas se han reducido drásticamente y la vida útil de las membranas ha aumentado debido a un mejor pretratamiento del agua de alimentación y una mejor comprensión de cómo operar los sistemas de RO.

Figura 4-Capacidad mundial total por tipo de desalación

2.4 Capacidad instalada por aplicación y uso

La figura 5 ilustra la cuota de mercado de desalinización por aplicación de usuario final. El uso municipal para la desalinización compromete la mayor parte de la capacidad instalada total, seguido de los usos industriales, energéticos, de riego y turísticos.

Figura 5-Capacidad global de desalinización por aplicación de mercado

Los factores mencionados anteriormente (sección 2), como la capacidad, la ubicación, el tipo y la aplicación, tienen un impacto significativo en el costo. Hay otros factores importantes específicos del sitio que afectan directamente el costo de desalinización, que se discuten en la siguiente sección.

3. Los principales impactos en el Costo de desalinización

Los factores que tienen un impacto directo y importante en el costo de desalinización incluyen, entre otros, la tecnología de desalinización, la calidad del agua cruda y del producto, el tipo de entrada y salida, la ubicación de la planta o proyecto, el tipo de recuperación de energía utilizada, el precio de la electricidad, las necesidades de postratamiento, el almacenamiento, la distribución, los costos de infraestructura local y las regulaciones ambientales.

3.1 Tecnología de desalinización

Casi el 95 por ciento de la capacidad de desalinización instalada en la actualidad es tecnología térmica (35 por ciento) o basada en membrana (60 por ciento) (Ghaffour, et al., 2012). Cada tipo de sistema varía considerablemente en tamaño, materiales de construcción, equipos, requisitos de pretratamiento, requisitos de potencia y vapor, entre otras diferencias. La selección de la tecnología también determinará el tipo de productos químicos que se utilizarán para el tratamiento previo y posterior y que repercutirán en los costos operacionales.

3.2 Ubicación

El sitio donde se construye una instalación de desalinización puede tener un impacto importante en los costos generales del proyecto. Por ejemplo, para una planta de desalinización de agua de mar (SWRO), la planta debe estar ubicada lo más cerca posible de la fuente de entrada de agua de mar para evitar costos más altos para tuberías de entrada y estructuras de entrada complejas. La ubicación óptima del proyecto también reducirá la línea de descarga de salmuera concentrada al mar. Sin embargo, el costo de adquisición de bienes raíces es un factor importante que puede requerir una mayor transmisión de agua en lugares donde el costo de la tierra puede exhibir diferencias de órdenes de magnitud en distancias relativamente cortas. Desde el punto de vista de la construcción, se recomiendan consideraciones cuidadosas para elementos como las condiciones locales del suelo (pueden requerir un nuevo relleno de suelo o pilas estructurales de concreto) y la proximidad a una fuente de energía confiable para reducir los costos de transmisión de energía.

3.3 Calidad del agua cruda

La calidad del agua cruda específica del sitio puede tener un impacto importante en el número y el tipo de pasos de pretratamiento requeridos antes de la etapa de desalinización en sí, y el tamaño general de la planta de desalinización. El nivel total de sólidos disueltos (TDS) del agua de la fuente afecta directamente a los costos operativos, ya que las presiones de operación (RO) y las temperaturas (térmicas) más altas generalmente deben aumentar a medida que aumenta la salinidad del agua cruda. Una mayor salinidad del agua cruda también puede reducir la recuperación de agua del producto factible por galón de agua cruda para sistemas de RO y térmicos. En el caso del SWRO, en áreas como pequeñas bahías, golfos o canales, las corrientes de agua de mar y la mezcla natural resultante del cuerpo más grande de agua de mar (es decir, el océano) pueden ser mínimas. Estas áreas pueden tener niveles de salinidad locales más altos, sólidos suspendidos totales más altos, variaciones de temperatura más altas y cargas orgánicas y actividad biológica más altas en comparación con el agua en el océano abierto. Todos estos factores añaden complejidad de diseño y construcción y, por lo tanto, pueden aumentar significativamente los costos de capital y gastos operativos.

Además, la temperatura del agua de alimentación tiene un gran impacto en los costos de presión de operación de RO, con un aumento de la presión de alimentación de 10 a 15 por ciento para una caída de 10FF en la temperatura del agua de alimentación por debajo de 70FF (WRA, 2012).

Para un sistema de RO, la calidad del agua del producto requerido dictará el número de pasadas de membrana requeridas, lo que afectará los costos.

3.4 Toma y descarga

El tipo de toma y descarga seleccionado para una planta de desalinización es una de las consideraciones técnicas más importantes para un diseño rentable y un funcionamiento óptimo de una planta. Se deben evaluar factores importantes, como el tipo de admisión más adecuado (admisión sumergida vs.abierta), la distancia de la admisión en relación con la planta, el tipo de pantallas de admisión, el tipo de estructura de admisión, el tipo de tubería de admisión (enterrada vs. sobre el suelo) y consideraciones ambientales con respecto al impacto y arrastre de la vida marina. Cada uno de estos artículos tiene un impacto significativo en los costos. El costo del sistema de admisión puede variar desde un mínimo de 0 0.13 MM por mil m3/día (0 0.5 MM por MGD) de capacidad para una ingesta abierta hasta 0 0.79 MM por mil m3/día ($3.00 MM por MGD) para túneles complejos y tomas en alta mar (WRA, 2012).

Para ilustrar la importancia potencial de los costos de la estructura de admisión y descarga, las descargas de plantas de SWRO ubicadas cerca de hábitats marinos que son altamente sensibles a la salinidad elevada requieren sistemas difusores de descarga de concentrados elaborados, con costos que pueden exceder el 30 por ciento de los gastos totales del proyecto de desalinización. Por el contrario, las plantas desalinizadoras con los costos de producción de agua más bajos tienen vertidos concentrados ubicados en zonas costeras con una mezcla natural muy alta o se combinan con estructuras de salida de centrales eléctricas, lo que permite una buena mezcla inicial y una mejor disipación de los penachos de descarga. Los costos de las instalaciones de admisión y descarga de estas plantas suelen ser inferiores al 10 por ciento de los costos totales de la planta de desalinización (WRA, 2012).

3.5 Pretratamiento

Los costos de pretratamiento se ven afectados por el tipo y la complejidad del sistema de pretratamiento. El tipo de pretratamiento requerido depende de la calidad del agua cruda en el sitio del proyecto. Algunas fuentes de agua de mar cruda o de superficie salobre tienen un alto nivel de actividad orgánica y biológica y requieren tecnologías de pretratamiento más robustas, como DAF (Flotación por aire disuelto) y UF (Ultrafiltración). Otras fuentes de agua cruda que utilizan tomas sumergidas o tomas bien basadas pueden requerir menos pretratamiento, como una filtración de medio de un solo paso o MF (Microfiltración).

De acuerdo con un artículo de la Asociación de Reutilización de Agua titulado «Costos de desalinización de agua de mar», los costos de pretratamiento generalmente oscilarán entre $0.13 MM y 0 0.40 MM por mil m3/día ($0.5 MM a MG 1.5 MM por MGD). En el extremo inferior de esta gama, los sistemas convencionales de filtración de medios de una sola etapa son adecuados. Los costos de pretratamiento aumentan a medida que se agregan pasos adicionales de pretratamiento, como dos etapas de filtros de medios o filtración de medios seguidos de sistemas MF o UF.

Los costos de pretratamiento suelen ser mayores si la fuente de agua son las aguas residuales. Esto puede deberse a muchos factores, como la necesidad de eliminar niveles altos de calcio y magnesio (dureza), la adición de pasos de cloración y decloración para destruir microbios, o la necesidad de usar UF para eliminar compuestos orgánicos de alto peso molecular.

3.6 Recuperación de energía

Los sistemas de RO utilizan bombas de alta presión para superar la presión osmótica del agua de alimentación cruda. Por ejemplo, algunas plantas SWRO pueden requerir presiones de alimentación de hasta 70 bar (1000 psig). La corriente de salmuera concentrada de RO de este proceso contiene energía de presión que se puede recuperar para reducir los requisitos generales de energía del sistema de RO. Las tecnologías de recuperación de energía reducen el consumo total de energía, con lo que se reducen los gastos de funcionamiento.

3,7 Energía eléctrica

Los precios locales de la energía, la distancia de transmisión, las tarifas de conexión y, posiblemente, las tarifas en la ubicación propuesta de la instalación de desalinización desempeñan un papel importante en la determinación del precio de suministro de energía conectada. Para las plantas de desalinización térmica muy grandes, la consideración de la ubicación conjunta de la instalación con una planta de energía puede ser prometedora debido a las ventajas inherentes de tal combinación.

3.8 Postratamiento

La calidad del agua del producto final determinará el tipo específico de postratamiento que se requiere. Los pasos posteriores al tratamiento añaden costos adicionales. La necesidad de una segunda pasada de RO para alcanzar niveles muy bajos de TDS o reducir las concentraciones de iones específicos, como boro o cloruro, a niveles aceptables puede ser una opción costosa. Un sistema de RO de dos pasadas será típicamente de 15 a 30 por ciento más costoso que un sistema de RO de una sola pasada (WRA, 2012).

Además, la estabilización del agua del producto generalmente requiere un ajuste de pH y la adición de alcalinidad de bicarbonato, que se puede hacer utilizando una combinación de dióxido de carbono, cal y/o hidróxido de sodio y, de nuevo, esto agrega un costo adicional.

Para las plantas de desalinización ubicadas en una costa cercana a las comunidades que usan el agua, la tierra generalmente tiene un precio muy alto. El costo de ubicar una instalación más cerca del punto de uso y una fuente de energía adecuada se debe sopesar con los costos asociados con el derecho de vías de la tubería de admisión y descarga adicional, los costos de la tubería, el transporte de materiales, los permisos, la mano de obra y el mantenimiento asociados con el traslado de una planta más lejos de la costa o del área de servicio de distribución (WRA, 2012).

Los costos de postratamiento suelen ser mayores si la fuente de agua son las aguas residuales. Esto puede deberse a muchos factores, como la oxidación posterior al tratamiento para inactivar los virus y el aumento de los costos de la salmuera de desecho o la eliminación de sólidos.

3.9 Costos de infraestructura local

Los costos de infraestructura incluyen elementos como movimientos de tierras, hormigón, acero, estructuras, drenaje y materiales de construcción. Dependiendo de la ubicación de la planta, los costos de cada uno de estos artículos pueden variar significativamente. Las plantas remotas que se encuentran lejos de las ciudades industriales generalmente tendrán que incurrir en costos de construcción más altos en comparación con las plantas que se construyen cerca de instalaciones de producción de concreto y zonas industriales que tienen un amplio suministro de materiales de construcción.

3.10 Regulaciones ambientales

Cada región geográfica tendrá su propio conjunto de reglas y regulaciones ambientales, que también pueden variar de un estado a otro dentro de un solo país. Por ejemplo, los costos de permisos para proyectos en California son casi cuatro veces los costos típicos de permisos en Florida (WRA, 2012). California tiene regulaciones y/o pautas más estrictas para la producción de agua potable en comparación con las de Texas o Florida, lo que agrega costos regulatorios a un proyecto de desalinización. Los períodos de revisión ambiental más largos también pueden alargar el calendario del proyecto, lo que generalmente también resulta en costos más altos del proyecto. De hecho, el número de años necesarios para desarrollar y permitir un proyecto en un estado como California, con regulaciones muy estrictas, puede ser significativamente más largo que el tiempo necesario para construir la planta e iniciar la puesta en marcha. (ARM, 2012)

4.0 Componentes de los costes-CAPEX

El CAPEX se subdivide en las dos categorías principales de costes directos e indirectos. Los costos directos incluyen equipos, edificios y otras estructuras, tuberías y desarrollo de sitios, y generalmente están en el rango del 50 al 85 por ciento del CAPEX total. Los costos indirectos restantes incluyen intereses y honorarios de financiación, costos de ingeniería, legales y administrativos y contingencias(Ghaffour, et al., 2012). El coste de CAPEX típico y los componentes para la mayoría de las plantas de desalinización se pueden dividir en nueve partes, de la siguiente manera: transporte de agua de entrada y cruda; pretratamiento; tratamiento de desalación; postratamiento; bombeo y almacenamiento de agua del producto; sistema eléctrico y de instrumentación; edificios de la planta, obras civiles y de obra y balance de la planta; descarga de salmuera y manejo de sólidos; y costos diversos de ingeniería y desarrollo. También hay que tener en cuenta otros costos, como las tasas de financiación y otras tasas relacionadas con el comercio. La figura 6 muestra un ejemplo de desglose del costo de CAPEX para una planta de SWRO.

Figura 6-Desglose típico del CAPEX de la planta de desalinización de SWRO (Fuente: Advisian)

Los gastos de capital, en gran medida, dependen de la escala, ya que las plantas de desalinización más grandes cuestan menos por millón de galones de capacidad instalada. De acuerdo con la Figura 7, construir una planta de SWRO de tamaño mediano de 10 MGD costaría alrededor de 8 80 millones y se espera que una planta grande, como la planta de SWRO de Carlsbad de 35 MGD cerca de San Diego, cueste 2 250 millones. Nota: Debido a problemas ambientales, de permisos y de construcción, esa planta terminó costando mucho más.

Figura 7-Costo de construcción de la unidad vs. capacidad de las plantas de corte transversal

5.0 Componentes de costos-Gastos operativos

Los costos operativos (gastos operativos) generalmente se dividen en dos grandes categorías: costos fijos (como costos de mano de obra, administrativos, de reemplazo de equipos y membranas, y tasas/impuestos de propiedad , etc.).) y costos variables (como energía, productos químicos y otros consumibles. (Arroyo, et al., 2012). El coste de explotación y los componentes típicos de la mayoría de las plantas de desalinización se pueden subdividir en nueve partes que comprenden lo siguiente: consumo de energía, consumibles, residuos sólidos, productos químicos, mano de obra, mantenimiento, garantía de equipos, saldo de utilidades de planta & y otros costos fijos (administración, repuestos, contingencia, etc.), como se muestra en la Figura 8.

Figura 8-Desglose típico de los gastos operativos de la planta de desalinización de SWRO (Fuente: Advisian)

6.0 Costo total de desalinización de agua

El costo del ciclo de vida, también llamado costo de producción unitario o costo anualizado, es el costo de producir mil galones o metro cúbico de agua mediante desalinización y considera todos los gastos de capital (incluido el servicio de la deuda) y gastos operativos, y puede ajustarse mediante un factor de operación previsto o real de la planta. Debido a todas las variables involucradas, estos costos anualizados pueden ser muy complejos, y las diferencias de costos de producción unitarios entre proyectos pueden no ser directamente comparables. En el mejor de los casos, la predicción de costos futuros utilizando información de costos de planta anteriores generalmente solo dará lugar a estimaciones aproximadas.

La figura 9 muestra que los costos anualizados para los diversos tipos de proyectos de OD terminados han variado ampliamente. Los costos promedio, representados por la línea de mejor ajuste en los datos mostrados, son de aproximadamente 0 0.70 / m3 (2 2.65 por mil galones) para plantas muy grandes (325,000 m3/día) y aumentan a 1 1.25/m3 (4 4.75 por mil galones) para plantas pequeñas (10,000 m3/día).

Sin embargo, los costos pueden llegar a los 3 3.20 / m3 para plantas de muy pequeña capacidad (menos de 4.000 m3/día o 1 MGD) que tienen costosas peculiaridades de entrada, descarga y transporte específicas del sitio. La eliminación de los efectos de la ingesta, descarga y transporte reduce y reduce el costo anual de la gama de $0.53/m3 a $1.58/m3 ($2.00 o $6.00 por cada mil galones) para SWRO plantas y $0,11 a $1.10/m3 ($0,40 a $4.00 por cada mil galones) de agua salobre plantas de osmosis (WRA, 2012).

Figura 9-Costo de producción unitario de la planta de ósmosis inversa vs. capacidad del proyecto

El costo de desalinizar las aguas residuales industriales para su reutilización puede ser mucho mayor que este. Por ejemplo, WorleyParsons/Advisian llevó a cabo un estudio para desarrollar el CAPEX y el OPEX de una planta desaladora de 35.000 m3/día ubicada en la región del Golfo Arábigo y alimentada con agua producida en campos petrolíferos y agua de alimentación de calderas. Sobre la base de los costos presupuestarios de CAPEX y OPEX generados en ese estudio, el costo de producción unitario fue aproximadamente cuatro veces mayor de lo que se pronosticaría utilizando la Figura 9.

La figura 10 a continuación muestra una comparación de costos del ciclo de vida típico de MSF, MED y SWRO para producir un metro cúbico (264 galones) de agua por día. Como se muestra, MSF y MED, que son tecnologías de desalinización térmica, requieren vapor (energía térmica) además de energía eléctrica, que es la razón principal por la que tienen mayores costos totales del ciclo de vida del agua en comparación con SWRO.

Figura 10-Coste unitario de producción de agua para tecnologías de desalinización

7.0 Ejemplos de costos de instalaciones de desalinización

Como se indica en este documento, el costo de desarrollar, construir y operar una instalación de desalinización depende de la ubicación de la planta, el tipo y la calidad del agua cruda, el tipo de entrada y salida, la tecnología de desalinización y los sistemas de recuperación de energía utilizados, el costo de la energía eléctrica, cualquier tratamiento posterior y almacenamiento requerido, los costos de distribución y las regulaciones ambientales. Estas diferencias pueden hacer que una planta grande construida en una región del mundo sea más cara que una planta más pequeña construida en otra región del mundo y dar lugar a diferencias significativas en los gastos operativos. Esto se ilustra con los proyectos que se muestran en el cuadro 1 de

para tres plantas SWRO ubicadas en varios lugares del mundo, como Estados Unidos, Oriente Medio y Australia.

*1 Costo unitario total para el propietario que incluye pagos, tarifas de financiamiento en tuberías, varios. mejoras de construcción, diversas Costos de operación y mantenimiento, costos administrativos. * 2 Estimado

1. Noreddine Ghaffour, Thomas M. Missimer, Gary L. Amy. «Revisión técnica y evaluación de la economía de la desalinización de agua: Desafíos actuales y futuros para una mejor sostenibilidad del suministro de agua.»Water Desalination and Reuse Center KAUST, octubre de 2012.
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