Gestión industrial del agua: pionero en nuevos procesos, producción sostenible y seguridad del sitio

© AdobeStock / 637385657 / AUUSanAKUL

© AdobeStock / 629167079 / Maximusdn

© iStock / 1203503078 / da-kuk

© AdobeStock / 208620732 / pickup

El agua es imprescindible para la industria de procesos: ya sea como medio de enfriamiento o disolvente, como reactivo o componente del producto. La producción química y farmacéutica evoluciona continuamente – hidrógeno, digitalización, economía circular, nuevos procesos de producción. ¿Qué significa esto para la gestión industrial del agua?

La neutralidad en CO2, la producción de hidrógeno, los procesos Power-to-X, la economía circular y la cero contaminación están actualmente en la cima de la agenda de la industria de procesos. El agua es un recurso insustituible, especialmente para la producción química y farmacéutica. Si se logra integrar la gestión del agua industrial en la gestión de producción y de los sitios, se puede aumentar la eficiencia de los procesos, hacer posibles soluciones circulares y avanzar en la transformación hacia una industria de procesos sostenible. Además, una estrecha vinculación entre producción y gestión industrial del agua fortalece la competitividad de las empresas y los sitios, reduce los riesgos de fallos en la producción y aumenta la seguridad de inversión en el desarrollo empresarial. El aumento de la presión hídrica en muchos sitios de la industria de procesos hace que el éxito empresarial dependa cada vez más de una gestión eficiente del agua industrial.

El agua como clave para la producción de hidrógeno

El uso de energías renovables y su almacenamiento en forma de hidrógeno o productos derivados es uno de los requisitos más importantes para una industria de procesos climáticamente neutra. Un número creciente de iniciativas en diferentes sectores acelera la expansión de capacidades para producir y usar hidrógeno: más de 1.400 proyectos internacionales de hidrógeno, así como una gran cantidad de proyectos de referencia en Alemania como Aquaventus, H2Giga, H2Mare o Kopernikus, subrayan este desarrollo. Mientras que la industria utiliza el hidrógeno como almacenador de energía o para procesos de altas temperaturas, los proyectos de I+D se centran en la infraestructura del hidrógeno, la producción en masa de tecnologías de electrólisis y la síntesis de productos químicos básicos a partir de hidrógeno.

Los electrolizadores comerciales necesitan aproximadamente de 10 a 17 kilogramos de agua desionizada para producir un kilogramo de hidrógeno verde. La base para el hidrógeno verde, la energía verde o sostenible, se puede producir de manera especialmente económica en regiones con abundancia de sol o viento. Sin embargo, las regiones con mayor potencial para energías renovables suelen ser también las que enfrentan altos niveles de estrés hídrico y, por tanto, un riesgo hídrico. Cuando se agotan los recursos locales, esto tiene un impacto irreversible en la región. Por ello, las fuentes alternativas de agua para la producción de hidrógeno son cada vez más importantes. Ejemplos son el agua desalada y la reutilización del agua. Un número creciente de plantas de desalinización de agua de mar genera nuevos desafíos en la gestión de aguas residuales (emisiones al mar) y abre oportunidades para aprovechar sales y concentrados. En el futuro, la producción de hidrógeno verde aumentará, lo que implica que el agua en el proceso de producción debe usarse y reutilizarse de manera más eficiente, especialmente el agua de enfriamiento y los flujos de aguas residuales. Aquí entra en juego un sistema de gestión del agua integrado y optimizado.

Los nuevos proyectos de hidrógeno apuntan cada vez más a la conversión directa del hidrógeno en productos químicos básicos y almacenadores de energía química, como amoníaco, metano o e-queroseno. La energía térmica liberada en esta etapa de producción puede ponerse a disposición de otros procesos. Las tecnologías de desalinización térmica con mayor eficiencia, así como el tratamiento biológico de aguas residuales, pueden beneficiarse de esta energía térmica disponible y adquirir mayor protagonismo. Este desarrollo no solo es relevante para la economía del hidrógeno; también, nuevos procedimientos de separación por membranas o ampliaciones del tratamiento biológico de aguas pueden influir positivamente en la gestión industrial del agua en términos de eficiencia de procesos y energía.

“El agua es la clave para la realización de instalaciones a gran escala para la producción de hidrógeno verde y sus productos derivados, como metanol o amoníaco. Por ello, desde el principio debemos pensar en una gestión integrada del agua junto con estrategias para energías renovables y producción de hidrógeno. Esto es la base para una economía de hidrógeno verde exitosa. La construcción de plantas y la ingeniería de procesos, como las que veremos en ACHEMA 2024, aportan una contribución decisiva”, afirma el Dr. Thomas Track, jefe del departamento de gestión del agua en DECHEMA e.V.

Además de las energías renovables, se necesitan soluciones eficientes y robustas relacionadas con el agua:

– El conocimiento especializado y la planificación para la producción de hidrógeno y Power-to-X, así como la gestión del agua, deben ir de la mano.
– Las tecnologías de tratamiento y los conceptos de gestión (de aguas residuales) deben adaptarse a los escenarios de producción en el interior, en la costa y en el mar.
– La circulación del agua y de los flujos de sustancias debe optimizarse.

Agua para la economía circular en la industria de procesos

Las innovaciones orientadas a la circularidad están transformando la industria en todo el mundo y actualmente están en la cima de la agenda de la industria de procesos. La transición hacia una economía circular, centrada en todo el ciclo de vida del producto, desde la obtención de materias primas hasta la reutilización, requiere una transformación integral de los procesos y estructuras industriales hacia la neutralidad climática y la competitividad a largo plazo. Los desafíos que esto plantea para la industria también afectan la gestión del agua industrial.

“La cadena de valor de la producción circular futura tendrá una alta proporción de procesos en la fase acuosa”, afirma el Dr. Christoph Blöcher, jefe de procesos de infraestructura, materiales y corrosión en Covestro Deutschland AG. “Por ello, la gestión del agua debe considerarse desde el inicio en el desarrollo de procesos. Para los residuos acuosos, son necesarios nuevos enfoques para recuperar energía química y materiales, como nutrientes”.

Además de su papel clásico en la producción industrial y la refrigeración, el recurso agua está ganando cada vez más protagonismo en nuevos ámbitos industriales. Los procesos de tratamiento de aguas (y aguas residuales) cambiarán en general, pasando de la purificación del agua a la utilización de sus componentes, del agua y del calor contenido en ella mediante recuperación.
Los procesos químicos de reciclaje, así como los procesos basados en materias primas renovables y las técnicas biotecnológicas, generan residuos acuosos caracterizados por un alto volumen y cargas orgánicas y salinas elevadas. La composición de las aguas residuales de los procesos de reciclaje presenta desafíos completamente nuevos. Ejemplos son el reciclaje químico de plásticos, de materiales compuestos (como materiales ligeros de alto rendimiento o compuestos para movilidad eléctrica) o de compuestos polimetálicos en componentes electrónicos, celdas de baterías o aleaciones ligeras. Además de los procesos químicos, se persiguen enfoques biotecnológicos diversos para reciclar plásticos, incluyendo el uso de procesos enzimáticos. Estos suelen requerir un aumento en el consumo de agua. Para afrontar estos requerimientos, es necesario desarrollar, probar e implementar enfoques tecnológicos integrados para el tratamiento de aguas residuales.

Farmacia y producción de hidrógeno: agua para inyectables y agua pura

La producción farmacéutica ha ganado aún más importancia y ha impulsado innovaciones, especialmente tras la pandemia de COVID-19. Para la industria farmacéutica, partes de la biotecnología industrial y el laboratorio, la gestión del agua se centra en agua para inyectables (Water for Injection, WFI) y agua pura (Ultra Pure Water).
El aumento de los costes de inversión y mantenimiento, los altos precios de la energía y las crecientes preocupaciones de los consumidores sobre el impacto ambiental de los residuos de producción y envasado están provocando que muchas empresas farmacéuticas reconsideren sus métodos hacia opciones más sostenibles. Desde 2017, en Europa también es posible producir agua para inyectables no solo por destilación, sino también mediante procesos membranosos. En EE.UU. y otras partes del mundo, este método ha sido estándar durante muchos años. Esta variante de producción no solo es más flexible y eficiente energéticamente, sino que también ofrece ventajas en costes de inversión y producción, en el espacio requerido, en servicios y mantenimiento, así como en la escalabilidad de los sistemas y diversas opciones de proceso.

Los análisis de mercado, como los de Transparency Market Research, estiman que el mercado global de agua para inyectables supera los 20 mil millones de dólares en 2021, con perspectivas de crecimiento a más de 50 mil millones en los próximos diez años.
La tendencia global hacia una economía de hidrógeno verde genera una mayor demanda de agua para la operación de electrolizadores. El foco está en sistemas de tratamiento de agua y plantas de circulación para agua ultra pura. Esta tendencia también anticipa un desarrollo positivo en el mercado de sistemas de agua pura para electrólisis.

“La demanda actual de sistemas de agua pura todavía está influenciada por el auge de la industria farmacéutica en los últimos años y recibe un impulso adicional por la creciente producción de hidrógeno verde”, afirma la Dra. Eva Bitter, directora general de EnviroFALK PharmaWaterSystems GmbH.

Optimizar la gestión del agua: digitalización, inteligencia industrial y control de procesos con sensores

Las tecnologías digitales se utilizan para aumentar la eficiencia, reducir el consumo de recursos y cerrar los ciclos de materiales. En la industria de procesos, esto también aplica en la interfaz entre la gestión del agua y la producción industrial. Ya sea para establecer enfoques modulares, dinámicos y flexibles de producción o para garantizar la seguridad del suministro mediante una gestión integrada de recursos hídricos: la captura de la información necesaria y el procesamiento de los flujos de datos solo es posible mediante el uso de herramientas digitales.

Especialmente en la interfaz entre producción industrial y gestión del agua, se pueden vincular complejos sistemas de plantas con dispositivos y sensores basados en IoT/IIoT. El procesamiento (por ejemplo, con inteligencia artificial) de grandes volúmenes de datos (Big Data) puede externalizarse de forma rentable (edge vs. cloud). Para el procesamiento y uso eficiente de los recursos, estas tecnologías son imprescindibles. La información obtenida puede almacenarse en registros distribuidos (DLT) y servir como base para contratos automatizados y transparentes (Smart Contracts). Todas estas tecnologías acercan a proveedores, fabricantes y clientes, permitiendo una visión integral a lo largo de la cadena de suministro. ACHEMA 2024 reflejará estas conexiones en la exposición con su Digital Hub y la tecnología de medición, control y automatización de procesos.

“La digitalización en la gestión del agua (\"Agua 4.0\") se ha convertido en un término de moda y provocará cambios profundos tanto en el sector público como en el privado. Las empresas llevan tiempo enfrentando el desafío de adaptarse estratégicamente a este nuevo mundo digital, repensando sus estrategias, modelos de negocio y culturas. Si una organización no da este paso importante, perderá su futuro y competitividad”, afirma Christian Gutknecht, gerente de sector de agua en Endress+Hauser Group.

El agua es un recurso decisivo para la industria de procesos y el suministro energético, pero también uno de los recursos más amenazados. Especialmente en el contexto de la transición energética y el uso de energías renovables, la interacción de los procesos individuales es crucial. Aquí, los gemelos digitales pueden jugar un papel decisivo. Pueden simular en tiempo real las demandas crecientes en la dinámica de las instalaciones, ajustar la producción y asegurar una ventaja competitiva clave. Las crecientes exigencias en seguridad del suministro, calidad del producto y eficiencia de las instalaciones solo pueden cumplirse mediante la transformación digital de la producción tradicional. Esta tendencia está siendo liderada por numerosos consorcios que desarrollan estándares globales para comunicación y seguridad de las instalaciones, acelerando así la transformación digital.

Conclusión

La amplia variedad de procesos y tecnologías — generación de hidrógeno, economía circular, producción farmacéutica e integración digital — deja claro que una gestión eficiente del agua es un componente central de la industria de procesos. Esto se aplica en todas sus escalas, desde la planta, la operación y el sitio hasta toda la empresa. A diferencia de la base energética y de materias primas de la industria de procesos, la sustitución del agua en su uso industrial tiene límites estrictos. Solo mediante su interacción estrecha, la producción industrial y la gestión del agua pueden aprovechar todo su potencial para una economía verde, circular y de cero emisiones netas.