España ha entrado de lleno en el verano más sofocante. Después de las lluvias primaverales y un junio fresco y tomentoso puede parecer que el cambio climático da un respiro, pero como advierte la AEMET, se trata de un espejismo. La sequía y las altas temperaturas siguen siendo graves problemas que requieren de una renovación de los procesos industriales, para reducir la contaminación y reaprovechar los residuos como el agua y el calor que generan. 

La fabricación del papel donde escribes, el cemento para construir nuevas viviendas, el metal para fabricar automóviles o los centros de datos que han mandado este artículo a tu teléfono, son grandes industrias que pierden un alto porcentaje de calor generado en sus instalaciones. Tanto el calor como el agua que desechan estas industrias podrían reutilizarse en vez de expulsarse a la naturaleza.

Los investigadores de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) han desarrollado un sistema que purifica las aguas residuales industriales utilizando calor que de otro modo se desperdiciaría. Este proyecto soluciona dos problemas en un solo proceso, el cual también sería aplicable para desalinizar agua del mar y ofrece agua potable en épocas de sequía.

Interior de unos de los centros de datos de Schneider Electric.

Se llama "calor residual" al que no se utiliza durante el proceso de generación de energía térmica. Solo en Noruega, se liberan 20 TWh (Teravatios hora) de calor residual cada año, lo que equivale a la mitad del consumo eléctrico de todos los hogares noruegos en total, según informa la Dirección de Recursos Hídricos y Energía de Noruega (NVE).

En España, el Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE), dependiente del Ministerio de Transición Ecológica, publicó en 2022 el "Mapa del Calor", donde muestra según la región sus estimaciones sobre el calor residual tanto de industrias como de hogares y que asciende a 60.298.594 MWh al año (60 TWh). Evitar este desperdicio requiere en la mayoría de las ocasiones de una modificación en las infraestructuras o en los procesos productivos que incluyan soluciones como la de estos investigadores.

Reutilizar el calor residual

Hoy en día, existe tecnología capaz de capturar el calor excedente de los procesos para reutilizarlo en otros fines, como la calefacción o la generación de más electricidad. Industrias en auge como son los centros de datos por los que circula toda la actividad de internet ya está reutilizando la temperatura que generan sus máquinas para, por ejemplo, ofrecer calefacción a sus empleados o a barrios vecinos con las redes de calor que ya se usan en España.

Pero, reciclar ese calor residual para purificar agua y convertirla en potable es una nueva propuesta que solucionaría dos problemas de una sola vez. "Si evaporamos esta agua impura a través de pequeños poros en una membrana hidrófuga, el agua condensada que emerge al otro lado es potable", explica Kim Kristiansen, investigador doctoral del Departamento de Química de la NTNU, que ha trabajado en este sistema en colaboración con el instituto de investigación TNU de Países Bajos de donde surge el concepto inicial.

Las membranas hidrófugas son un material respirable que se utiliza habitualmente en la construcción de viviendas como aislante en tabiques y techos. Se utiliza porque ayuda a impermeabilizar las paredes, es capaz de impedir la entrada de aire y de agua a los muros de las viviendas, pero al mismo tiempo permite que la humedad salga.

Así, el agua residual evaporada con el calor industrial atravesaría en forma de humedad la membrana dejando atrás las impurezas adquiridas en su primer uso, para después enfriarse en la segunda fase y convertirse en agua líquida potable. Esta técnica es compatible con la potabilización de agua con impurezas sólidas, ya que estás no se evaporan con el CO2 en el proceso.

Kim Kristiansen, investigador de NTNU NTNU Omicrono

"La conclusión es que la tecnología tiene un gran potencial. Mediante la modificación de las membranas, podemos ayudar a abordar tanto los crecientes desafíos asociados con los requisitos de eficiencia energética como la falta de agua potable limpia", afirma Kristiansen.

Desalinizando agua

Kristiansen ha pasado los últimos años estudiando los intrincados efectos de la diferencia de temperatura cuando se bombea agua a través de un lado de la membrana y cuando se enfría en el otro. El investigador ha desarrollado teorías para predecir el efecto en la membrana y luego las ha verificado en el laboratorio.

Cuando el agua se calienta en un lado de la membrana, se evapora y libera calor en el otro lado a través de la condensación. Entonces puede surgir una diferencia de presión entre los dos lados de la membrana. "La diferencia de temperatura se utiliza para bombear el agua hacia arriba, y la diferencia de presión representa energía mecánica que puede utilizarse para hacer funcionar una turbina", explica este investigador. El fenómeno se denomina ósmosis térmica.

Botella de agua potable con el mar de fondo

Actualmente existen dos métodos predominantes para desalinizar: en uno se usa calor para evaporar el agua y separarla de la sal, el cual supone un alto gasto de energía; y en otro se realiza por membranas, conocido como ósmosis inversa. El primero se utiliza en inventos recientes donde el sol en pleno mar produce el calor necesario para no consumir electricidad.

En el segundo método, la ósmosis inversa, el agua sin purificar se somete a una presión (que puede llegar a varias decenas de bares) para que atraviese la membrana que consigue atrapar iones, moléculas y partículas grandes. La propuesta de Kristiansen sería un híbrido de ambas opciones reutilizando la energía térmica y en ciertos casos el agua.

Por el momento, este sistema está en fase de investigación, pero sus autores consideran que la industria podría empezar a aplicarlo en sus instalaciones para ser menos contaminantes. "Mi impresión es que la industria aún no es plenamente consciente de este concepto y de las oportunidades que ofrece", afirma Kristiansen.