Desalinización de agua de mar: Respuesta a las necesidades de agua para el norte de Chile Profesor: Dr. Aldo Saavedra Fenoglio Laboratorio de Procesos de Separación con Membranas, Departamento de Ingeniería Química USACH. E-mail: aldo.saavedra@usach.cl

DISPONIBILIDAD DE AGUA EN EL MUNDO En el mundo hay unos 1.400 millones de Km3 de agua. De ese volumen, el 97,23% es agua salada, con altos niveles de salinidad (entre 3 y 4%p/p). El 2,77% restante es agua de baja salinidad (menor del 0,05%). De este porcentaje el 77,3% corresponde a agua que está congelada en polos y glaciares, no disponible para su utilización. Esto significa que aproximadamente el 0,62% es factible de ser aprovechada para usos potable, industrial y agrícola.

CLASIFICACION CUERPOS DE AGUA EN FUNCION DE SU SALINIDAD (mg/L ó ppm) Tipo de agua 0,5 a 5 Destilada 20 a 1.000 Dulce 1.000 a 10.000 Salobre 10.000 a 40000 Salada 50.000 a 150.000 Salmuera > 150.000 Hipersalina Salinidad promedio de aguas del Océano Pacífico: 35.000 ppm Componentes inorgánicos principales (%): 55.0 (cloruro), 30.6 (sodio), 7.7 (sulfato), 3.7 (magnesio), 1.2 (calcio), 1.2 (potasio), 0.4 (carbonatos), etc..

DISPONIBILIDAD DE AGUA POR REGION Región Disponibilidad TOTAL (m3/h-año) I Tarapacá 854 II Antofagasta 52 III Atacama 208 IV Coquimbo 1020 V Valparaíso 801 RM Región Metropolitana 525 VI Libertador Bernardo O´Higgins 6.829 VII Maule 23.978 VIII Bio-Bio 21.556 IX La Araucania 49.273 X Los Lagos 136.207 XI Aysen 2.993.585 XII Magallanes 1.959.036 XIV Los Ríos 137.300 XV Arica y Parinacota 850 PROMEDIO (MOP, datos año 2009) 53.953

TECNOLOGIAS PARA DESALACION DE AGUAS Tecnologías Térmicas (destilación o evaporación) Destilación o evaporación Congelamiento Tecnologías de Membrana Osmosis Inversa Nanofiltración (<1%) Electrodiálisis Tecnologías térmicas Este tipo de tecnología, es la forma más antigua de desalinizar agua y como su nombre lo indica se basa en un procesos de destilación e involucra formas de evaporación para la producción de agua pura. Este tipo de tecnología rara vez se utiliza para desalar agua salobre por el alto costo involucrado. La energía térmica requerida se produce en generadores de vapor, calderas y otros. Siendo los procesos térmicos más importantes el MSF y el MED, entre otros. Tecnologías de Membrana La desalinización por membrana consiste en hacer pasar un caudal de agua salda a través de membranas para producir agua limpia. Existen distintos tipos de procesos siendo el más utilizado: la Osmosis Inversa. Estos procesos no incurren en variaciones de temperatura tan altos, y su consumo energético se ha visto disminuido con respecto a los procesos térmicos a lo largo de los años.

TECNOLOGIAS PARA DESALACION DE AGUAS Uso de tecnologías de desalinización (mundial, año 2012): Entre los años 2008 y 2013, la tecnología de osmosis inversa aumentó desde 44% a 65% del total. Esta tecnología es lider debido a sus menores costos, facilidad de operación y a una mayor capacidad de adaptarse a cambios en el tipo de alimentación líquida.

MERCADO DE LA DESALINIZACION Chile subió al lugar número 10 en el ranking de capital de mercados mundiales (2013)

ASPECTO CLAVE: MINIMIZAR EL CONSUMO DE ENERGIA TERMICAS MEMBRANAS

DESALINIZACION MEDIANTE OSMOSIS INVERSA La forma en que se produce el paso de agua a través de la membrana responde a dos teorías: modelo poroso y modelo de solución-difusión. El primero habla de un flujo de agua que es absorbida sobre la superficie de la membrana y luego drenada a través de los poros de ella. La segunda indica que la membrana no posee poros, por lo que el agua se disuelve en la capa superficial de la membrana y luego se difunde a través de una capa sin poros de la misma. El modelo de solución-difusión permite predecir correctamente el comportamiento de las soluciones compuestas de una sola sal iónica. Este proceso descrito, queda enmarcado por una serie de ecuaciones que definen y aclaran los distintos tipos de aspectos que deben conocerse y que en última instancia permiten realizar el proyecto o el diseño de las distintas instalaciones 9

DESALINIZACION Y MINERIA Algunas plantas de osmosis inversa consideran purificar agua en instalaciones ubicadas a orillas del mar y luego transportar la fracción desalinizada a los puntos de consumo. Es el caso de Minera Escondida, que deberá bombear el agua purificada en ductos de 177 Km de longitud, hasta una altura de 3600 m.s.n.m. Esto involucra un gran consumo de energía, lo cual ha traído como consecuencia el inicio de estudios y proyectos asociados al uso integrado de las fuentes energéticas nuevas y renovables, específicamente recursos solar (fotovoltaico) y eólico. +

AGUA Y MINERIA EN CHILE El consumo de agua para minería representa el 9% de la demanda nacional. La minería es el primer sector económico del país en términos de contribución al PIB: Representa el 16% del PIB nacional Genera el 60% de las exportaciones El recurso minero se encuentra principalmente desde la Región Metropolitana al norte, precisamente en las regiones con mayor déficit hídrico. Para los próximos 25 años se prevén aumentos superiores al 200% en la demanda del recurso agua para satisfacer la explotación minera. Entonces que se puede hacer? …que además está concentrado en la zona Norte, esto ha provocado un creciente y continuado desarrollo económico y social, donde ciudades como Antofagasta, Calama y Copiapó han visto incrementar su densidad demográfica proporcional al aumento del desarrollo de nuevos proyectos mineros. Esto unido a la baja disponibilidad de agua y a la alta demanda de esta (9% de la demanda nacional), hacen indispensable la gestión y utilización del recurso hídrico para continuar con la actividad y proyectar su desarrollo de manera eficiente y responsable 11

CONSUMO DE AGUA POR REGIONES Y PROCESOS MINEROS Concretamente el agua se utiliza para 5 sectores dentro de la minería del cobre: mina, concentrados, fundición y refinería, cátodos y otros. El mayor porcentaje del consumo del agua fresca, corresponde al procesamiento mediante flotación para obtención de concentrados involucrando el chancado, molienda, flotación, clasificación y espesamiento. En el caso de la obtención de cátodos mediante el proceso de hidrometalurgia, el consumo es menor ya que la producción a su vez es menor. Otros, se refiere a actividades de humectación de caminos, relaves campamentos y servicios. El agua se utiliza en 5 sectores: mina, concentrados (chancado, molienda, flotación, clasificación y espesamiento), fundición y refinería, cátodos y otros. La obtención de cátodos se considera en el proceso de hidrometalurgia. Otros, se refieren a actividades de humectación de caminos, relaves campamentos y servicios. 12

AGUA Y MINERIA La región de Antofagasta (II Región) concentra el mayor nivel de actividad minera, siendo responsable del: 35% del total de los concentrados a nivel nacional. 72% del total de cátodos a nivel nacional. 40% del consumo total de agua empleada en minería. …que además está concentrado en la zona Norte, esto ha provocado un creciente y continuado desarrollo económico y social, donde ciudades como Antofagasta, Calama y Copiapó han visto incrementar su densidad demográfica proporcional al aumento del desarrollo de nuevos proyectos mineros. Esto unido a la baja disponibilidad de agua y a la alta demanda de esta (9% de la demanda nacional), hacen indispensable la gestión y utilización del recurso hídrico para continuar con la actividad y proyectar su desarrollo de manera eficiente y responsable 13

CONSUMO DE AGUA PARA MINERIA Se requiere satisfacer la demanda creciente resolviendo aspectos técnicos, legales y ambientales: Las faenas se encuentran en altura (> 2000 m.s.n.m). Proyecto de Ley (Noviembre 2011): cuando el consumo de agua supere los 200 L/s (6,3 MMm3/año) se deberá considerar el uso de agua desalinizada, a partir del año 2016. El agua de mar es el recurso más abundante del planeta por lo que desalinización de este recurso es la que abarca mayor cantidad en el mercado. Chile posee más de 4.000 km de costa, siendo así, la posibilidad de convertir el agua de mar en agua apta para uso y consumo humano se ha convertido en una alternativa cada vez más viable. Estos casos han significado que muchas empresas de la industria minera comiencen a ver de buena forma la inversión en las tecnologías de desalinización de agua de mar, aunque no exenta de problemas y costos. Por otro lado, el Estado ha comenzado a actuar en el tema, mediante un proyecto de ley ingresado a la Cámara Baja en noviembre del 2011, con la intención de obligar a todo explotador minero cuya extracción del agua exceda los 200 l/s a incorporar a partir del año 2016 el uso de agua desalinizada en sus procesos, disminuyendo así la extracción de agua desalinizada en sus procesos.

PROYECTOS DE DESALINIZACION DE AGUAS POR OSMOSIS INVERSA EN CHILE

Proyección de Demanda de Agua para la Producción Total de Cobre en Chile 2009- 2020 Consumo anual

ANTOFAGASTA: AGUA DE MAR

DESALADORA AGUAS ANTOFAGASTA

COSTOS COMPARATIVOS PLANTAS DESALINIZADORAS

EVOLUCION DEL CONSUMO ENERGETICO EN DESALINIZADORAS La energía requerida por metro cúbico de agua, al 2008 se ha reducido en un 90% El ingreso de la OI al mercado marcó notablemente la disminución de este consumo

COSTOS EN PLANTAS DESALINIZADORAS Los costos de capital y de producción del agua desalinizada son muy dependientes del tamaño de planta y del flujo de producción. La inversión de una planta OI oscila entre 800 y 2000 USD/m3 producto día). Cerca del 50% del costo de operación es energético (electricidad). Plantas que producen sobre 5000 m3/dia, instalan sistemas recuperadores de energía (intercambiador de presión o turbina), lo que determina ahorros  40% del costo de energía. Costos de producción oscilan entre 0,9 y 2,0 USD/m3.

PROYECTO PLANTA DESALADORA DE CODELCO RT Antofagasta, 31 de mayo de 2013 Codelco ingresa a evaluación ambiental proyecto estratégico que utilizará agua de mar desalada. Codelco ingresó hoy al Sistema de Evaluación Ambiental (SEA) de la II Región de Antofagasta el proyecto RT Sulfuros, que permitirá explotar las reservas de sulfuros de la División Radomiro Tomic. Este es el primer proyecto de la Corporación que utilizará agua de mar desalada en sus operaciones. Inversión total proyecto: US$ 5.400 millones. Inversión planta desaladora OI: US$ 1.500 millones Al incorporar el uso de agua desalada en sus procesos de la operación, permitirá no aumentar el consumo de agua fresca de la cordillera. El agua de mar será captada en el borde costero, tratada en una planta desaladora OI, localizada a 14 Km. al sur de Tocopilla. El agua desalada será conducida hacia las instalaciones de la División RT, a 3.000 metros sobre el nivel del mar, mediante una tubería de 48" de diámetro y 160 Km de longitud.

DESALADORA MINERA ESCONDIDA Minera Escondida (BHP Billiton) es la mayor mina de cobre del mundo, con una producción anual de 1,2 millones de toneladas de cobre fino. El proceso es a rajo abierto. Para su proceso de expansión se está construyendo una nueva planta concentradora, para procesar 152 mil toneladas diarias, con una inversión de US$ 3.800 millones. Se requieren mayores recursos hídricos para la explotación de la mina, porque a medida que se explota el rajo, la roca es más dura y se requieren grandes cantidades de agua para separar el cobre del material que se extrae del yacimiento.

INGENIERIA Y CONSTRUCCION DE PLANTAS DE MEMBRANAS

ENERGIA PARA LAS DESALADORAS Costos energéticos: menores de 3 KW-h/m3 Es factible incorporar de manera integrada el uso de de las fuentes energéticas nuevas y renovables, específicamente recursos solar (fotovoltaico) y eólico. Esto es particularmente factible para plantas desaladoras que operan con agua salobre o para aplicaciones de desalación parcial con nanofiltración. +

ESTRATEGIA MANEJO SUSTENTABLE DEL RECURSO HIDRICO Experiencia mundial

ESTRATEGIA MANEJO SUSTENTABLE DEL RECURSO HIDRICO Definición de prioridades para generar una estrategia público-privada en torno a los recursos hídricos. La necesidad de agua deberá posicionarse como tema prioritario para su debate nacional, como un factor económico motor para el futuro. Para determinar las prioridades para instalar una estrategia nacional por el agua, se plantean los siguientes desafíos: Variabilidad climática, factibilidad de su predicción y planificación. Reformas que afecten al uso (cantidad y calidad, externalidades ambientales) y derechos de propiedad del recurso. Participación del sector privado en el manejo de aguas urbana, para agricultura, para usos industriales, para la producción de energía, etc. Participación ciudadana.

CONCLUYENDO … La desalinización es una alternativa viable técnica y económica para las regiones del Norte de Chile Madurez tecnológica, para satisfacer los requerimientos de dotación de agua potable y de procesos a gran escala. Alternativa más ventajosa desde el punto de vista técnico-económico, respecto de los procesos térmicos convencionales. Alternativa tecnológicamente escalable lo que permite dotar de grandes volúmenes de agua purificada para la población y para el sector productivo (industria, minería, agricultura). Factible incorporar el uso de FERNC (tales como solar y eólica) para satisfacer, al menos parcialmente, las necesidades de energía eléctrica para las plantas de membranas. Aspectos normativos por resolver: concentrados, Riles y otros.

Laboratorio de Procesos de Separación con Membranas (LabProSeM) DIQ USACh