Problemas Nacionales / National Problems

TÍTULO / TITLE	Desarrollo de un desalinizador de agua de mar mediante ósmosis inversa activado por el movimiento del oleaje como alternativa para mitigar el problema de suministro de agua limpia en regiones costeras.
MODALIDAD EN LA QUE PARTICIPA: / PARTICIPATION MODE:	(Joven Investigador).
DATOS DEL RESPONSABLE : / ABOUT THE MANAGER:	Dr. Manuel Gerardo Verduzco Zapata. Profesor-investigador, Facultad de Ciencias Marinas, Universidad de Colima. Carretera Manzanillo-Cihuatlán Km 19.5, Colonia El Naranjo. C.P. 28868, Manzanillo Colima, México. Correo: manuel_verduzco@ucol.mx
ÁREA DEL CONOCIMIENTO: / KNOWLEDGE FIELD:	ÁREA I - Física matemáticas y Ciencias de la Tierra.
TEMA PRIORITARIO: / MAIN TOPIC:	Los océanos y su aprovechamiento.

 

RESUMEN EJECUTIVO

 

“El agua es la fuerza motriz de toda la naturaleza” (Leonardo Da Vinci)

 

     Es bien conocido que tres cuartas partes de la superficie del planeta está conformada por agua, de las cuales 97.5% es salada y únicamente el 2.5% es agua dulce. Sin embargo su distribución en el planeta no es homogénea, ni lo es su población. El 0.30% del agua se encuentra en ríos y lagos, y el resto en glaciares, casquetes polares y en acuíferos subterráneos. La sobreexplotación de este recurso, aunada a su contaminación por actividades industriales y de vivienda, compromete la capacidad de los países para abastecer de agua al total de sus habitantes. Desafortunadamente México no es la excepción. En el 2010 México contó con una población de 114 millones de individuos (CONAPO, 2016) de los cuales según estudios de la INEGI, únicamente el 90.9% tuvo acceso al agua potable. Esto implica que cerca de 10.38 millones de personas no tuvieron acceso a este vital recurso. El problema se incrementará con el aumento de la población (actualmente el país tiene una población de 121 millones y se espera que para el 2020 se alcance la cantidad de 127 millones). Las regiones hidrológicas que tienen la menor cantidad de agua renovable per cápita son: I La Península de Baja California, IV Río Bravo, VII Cuencas centrales del Norte, VIII Lerma-Santiago-Pacífico y XIII Aguas del Valle de México, siendo esta última la menor con 152 m³/hab/año. Esta escasez de suministro, aunada con la pobreza extrema, falta de higiene y contaminación, provoca la proliferación de enfermedades infeccionas que pueden afectar a la población en general (en el 2013 fue la  octava causa de muerte en niños menores de un año). El uso del agua en México es variado: 77% se utiliza en la agricultura; 14% en el abastecimiento público; 5%, en las termoeléctricas y 4%, en actividades industriales. Los ríos que constituyen 87% del agua superficial del país son: Grijalva-Usumacinta, Papaloapan, Coatzacoalcos, Balsas, Pánuco, Santiago y el río Tonalá.

 

     Para tratar de mitigar el problema, México cuenta con planes de desalinización, de los cuales destaca la construcción de una desalinizadora en Playas de Rosarito (la más grande de América), con una capacidad de 400 millones de litros diarios y una inversión inicial de 600 millones de dólares (Aragón y Cervantes, 2015). Sin embargo, una desventaja de estas plantas es que consumen una gran cantidad de energía y sólo pueden suministrar agua a las ciudades que cuentan con infraestructura hidráulica. Como alternativa para los sitios en comunidades costeras aisladas y con falta de red de agua potable, o inclusive para regiones afectadas por desastres naturales, es posible diseñar dispositivos Convertidores de Energía del Oleaje (CEO), que en vez de generar electricidad, su función sea la de desalinizar el agua de mar para su aprovechamiento humano. Este tipo de tecnología aún se encuentra en desarrollo (Hicks et. al., 1988; Sharmila et al., 2004; Davies, 2005; Ylänen, 2012; Serna y Tadeo, 2013; SAROS, 2015; etc.), por lo que en este proyecto se plantea el diseño y construcción de un Sistema Desalinizador (SD) acoplado con el dispositivo convertidor de energía del oleaje (SD-CEO) a escala que aproveche el movimiento orbital de las olas para funcionar, que lo convierte en una opción sustentable para aprovechar los recursos del océano.

 

     El diseño del dispositivo SD-CEO no empezará desde cero pues se tienen datos de dos prototipos previos (SAROSv1 y SAROSv2), desarrollados por EcoH2O Innovations (http://sarosdesalination.com/), los cuales servirán como base para lograr los objetivos propuestos en este estudio. Cabe mencionar que SAROS comenzó como un proyecto exitoso de diseño en la Universidad de Carolina del Norte en la ciudad de Charlotte, con la finalidad de demostrar la factibilidad de presurizar el agua lo suficiente para llevar a cabo el proceso de ósmosis inversa únicamente con el movimiento de las olas. 

 

     Aunque se cuenta con un diseño avanzado del sistema SD-CEO, son necesarios más estudios para llevarlo a un estado operacional. Un desafío es crear una forma de producir un flujo cuasi-continuo que provea de agua al sistema de ósmosis inversa. Por otro lado, es necesario estudiar su eficiencia bajo distintos escenarios de oleaje con la finalidad de  mejorar su desempeño y con ello aumentar sus condiciones de operación, por lo que es indispensable realizar estudios rigurosos en laboratorios con ambientes controlados, como en canales o cuencas de oleaje. Como resultado de los experimentos y el análisis de la información que se genere en este proyecto, se resolverán preguntas técnico-científicas clave para maximizar la eficiencia de esta tecnología en aguas mexicanas, que permita utilizarla para su aplicación en el sector productivo. Los puntos más importantes a resolver son:

 

¿cuál es la respuesta del SD-CEO ante distintos patrones de oleaje asociados a distintos estados de mar?; ¿cómo afecta su hidrodinámica a la eficiencia del proceso de desalinización?; ¿cuál es la capacidad mínima y máxima del gasto (litros/segundo) que puede suministrar el SD-CEO?; ¿cuáles son las condiciones oceanográficas óptimas para la operación del dispositivo?; ¿cómo se puede adaptar el diseño al oleaje de otros países?.

 

 

Hipótesis

 

El prototipo SD-CEO será capaz de suministrar agua potable proveniente del océano de manera sustentable y de forma autónoma, al ser impulsado con el movimiento de olas de distintos estados de mar asociados a las condiciones oceanográficas de las costas del Pacífico Mexicano.

 

 

Objetivo general 

 

Desarrollar un prototipo desalinizador de agua de mar que funcione con el movimiento del oleaje para ayudar a suministrar agua limpia para consumo humano en poblaciones aisladas o con escasos recursos en regiones costeras.

 

 

Objetivos específicos

 

1. Analizar la hidrodinámica de un dispositivo de bombeo de agua de mar al interactuar con oleaje regular e irregular, el cual proporciona el suministro de agua salada al sistema desalinizador mediante el aprovechamiento de la energía del oleaje.

 

2. Diseñar un dispositivo desalinizador basado en el concepto de ósmosis inversa y acoplarlo al sistema de bombeo para que, a través del movimiento orbital de las olas, se obtenga un flujo cuasi-continuo de agua limpia apta para consumo humano.

 

 

Instituciones que participan

 

• Universidad de Colima
   
• ECO H2O INNOVATIONS
   
• INSTITUTO DE INGENIERÍA DE LA UNAM
   
• CICESE
   
• UABC-IIO
•  

Resumen de actividades y resultados obtenidos

 

El proyecto desarrollado durante la vigencia del apoyo del fondo “Proyectos de Desarrollo Científico para atender Problemas Nacionales 2015” requirió de un estudio multidisciplinario e interinstitucional donde participaron diversos Centros de Investigación y Universidades, así como el sector privado a nivel nacional. Ejemplo de los anteriores son el CICESE, UABC, II-UNAM, CEUNIVO, FIE-UCOL, FACIMAR-UCOL, CEMIE-Océano, H2O Innovations y Potencia Fluida; esta última es una empresa especializada en la construcción de cilindros. El proyecto tuvo como objetivo principal el desarrollar un sistema de presurización de agua de mar impulsada por el oleaje, pues se partió de la premisa de que la energía cinética del oleaje podía ser utilizada para presurizar el agua para utilizarse finalmente en una planta de desalinización para obtener agua potable.

 

Durante el proyecto se llevó a cabo una revisión de literatura del tema, se diseñaron diversos prototipos del sistema de bombeo y se realizaron pruebas físicas y numéricas. Los resultados se registraron y se sometieron para su publicación en a) el Journal of Coastal Research (ISSN 0749-0208), b) una revista electrónica derivada del European Wave and Tidal Energy Conference Series, 12ª y 13ª edición (ISSN 2309-1983), y en c) un capítulo del libro Estudios recientes en el océano Pacífico mexicano, publicado por la Editorial de la Universidad de Colima (ISBN 978-607-8549-38-2). Se tuvo participación en dos congresos nacionales y tres internacionales, lo que permitió tener retroalimentación por parte de pares académicos. Se difundieron las actividades del proyecto en medios electrónicos, así como en periódicos y programas de radio y televisión, para dar a conocer la tecnología desarrollada al sector social y gubernamental (https://geo.ucol.mx/notas-periodisticas.htm). Se creó una página WEB con material de difusión, en idioma inglés y español, donde se describen los distintos proyectos del grupo de investigación (https://geo.ucol.mx/). Se contribuyó en la formación de recursos humanos al titular a un estudiante de licenciatura de la carrera de Ingeniería Oceánica, y hay uno más en proceso de la Maestría en Ingeniería de la Infraestructura, ambos programas de la Universidad de Colima.

 

En la segunda etapa se procedió a la construcción de un prototipo a escala mayor para probar su eficiencia en condiciones atmosféricas y oceanográficas reales de una costa mexicana. Se seleccionó un polígono cercano a playa Ventanas ubicada en Manzanillo, Colima. Se tramitaron los permisos correspondientes antes las autoridades portuarias y de medio ambiente, por lo que se solicitó una extensión de un año de vigencia del proyecto al Fondo. Una vez obtenidos dichos permisos, se procedió a las pruebas en campo, obteniendo lecturas satisfactorias del gasto y la presión obtenidas con el sistema, por lo que se concluye que el proceso de diseño, construcción y prueba en campo del dispositivo fue exitoso, con lo que se cumplió con la meta principal del proyecto. Cabe mencionar que el sistema de Toma de Fuerza (PTO, por sus siglas en inglés) puede mejorarse, por lo que se debe continuar con el desarrollo del dispositivo mediante pruebas en laboratorio y modelación numérica a detalle. En este sentido, se adquirió un clúster para realizar las modelaciones necesarias del dispositivo y lograr mejoras en el corto/mediano plazo.