Evaluación de la eficiencia del nexo agua-energía mediante indicadores exergéticos.

Abstract

En la presente tesis se evaluó la eficiencia del nexo agua-energía (WEN) en dos casos de estudio, utilizando indicadores exergéticos. Este trabajo se ha estructurado en tres capítulos: en el primer capítulo, se realizó una revisión bibliográfica sobre el WEN focalizando los principales problemas o vacíos en su evaluación; en el segundo capítulo se abordó la evaluación del nexo entre diferentes recursos estratégicos, en particular agua, energía y suelo utilizando como casos de estudio: el Sistema Eléctrico Nacional (CES) y el de Tratamiento de Agua Potable (DWT) en Chile. Para ambos casos, se combinaron las potencialidades metodológicas del Análisis de Ciclo Vida (LCA) con el análisis exergético y se obtuvieron métricas que permitieron cuantificar el impacto del WEN. Finalmente, en el tercer capítulo, se exponen las principales fortalezas, debilidades y desafíos del uso de la exergía como métrica para la evaluación de la eficiencia dentro del contexto del nexo. A partir de la revisión bibliográfica se concluye que el nexo agua-energía (WEN) ha sido cuantificado usando numerosas herramientas, métodos y metodologías en diversos contextos y escalas; lo que ha dificultado su replicabilidad y comparación entre casos de estudio a diferentes escalas y/o ubicaciones geográficas. Al mismo tiempo, se observa que la eficiencia del uso de los recursos a lo largo de toda su cadena de suministro no se ha considerado, por lo que los estudios se limitan a la cuantificación física de cada recurso en el nexo. Por consiguiente, esta tesis se propone la exergía como herramienta para la evaluación del WEN, dado que ésta permite, por excelencia, cuantificar la eficiencia de distintos recursos a lo largo de las cadenas de suministro. En el caso de estudio del Sistema Eléctrico Nacional (CES), se evaluó la eficiencia del nexo agua-energía-suelo (WELN) a través de los indicadores exergéticos Consumo Acumulado de Exergía (CExC) y el Grado Acumulado de Perfección (CDP). Los resultados mostraron que la producción de 1 MWh de electricidad requirió 17.3 GJex, siendo el componente energético del nexo (fuentes de energía fósiles y renovables) el principal contribuyente (99%). Las tecnologías de energía renovable representaron los mayores índices CDP (13%-46%) dentro del nexo, asociado a un menor CExC, así como mayores eficiencias tecnológicas en relación con las energías no renovables (14%-19%). Por otro lado, para el sistema de Tratamiento de Agua Potable (DWT), los valores de CExC mostraron diferencias significativas entre las regiones (1–50 MJex/m3 ), dependiendo de la calidad de las fuentes de agua cruda, los indicadores de consumo energético en el transporte del fluido (bombeo) y la tecnología usada para el tratamiento de agua potable. Los mayores CExC se registraron en las zonas norte (30-50 MJex/m3 ) en comparación con las regiones centro-sur (1-10 MJex/m3 ) debido a la mala calidad del agua en las primeras; por lo que se requirieron tecnologías más intensivas en energía (ósmosis inversa) para su potabilización. En general la evaluación del nexo para ambos casos de estudio demostró que los recursos agua y uso del suelo muestran una contribución en el CExC casi despreciable, debido a la baja calidad de dichos recursos en comparación con el componente energético. Sin embargo, esto no significa que sean irrelevantes para la sustentabilidad del sistema eléctrico y potabilización, tanto a escala regional como local. Para validar lo anterior, se aplicaron al caso de estudio DWT, el Índice de Estrés Hídrico (WSI) y la Huella Hídrica Azul (BWF) diferenciados por regiones, para resaltar el papel fundamental de los recursos hídricos dentro del nexo agua-energía. En este sentido, ambos indicadores mostraron una fuerte dependencia geográfica debido a la variabilidad climática, donde el WSI se incrementó gradualmente desde el extremo sur hasta las zonas norte, registrando el índice de estrés hídrico más alto (0,5-1) para las zonas centro norte. Los valores más altos de WSI y CExC demostraron que el nexo agua-energía se hace más fuerte para la zona norte de Chile que para el resto de las regiones, lo que podría intensificarse progresivamente hacia la zona central debido a los mayores BWF (26-50 m3 /s) y al efecto del cambio climático. A partir de los resultados obtenidos en el segundo capítulo, se destaca la contribución de la exergía como una herramienta prometedora en la evaluación del nexo entre recursos, al permitir la unificación de métricas y la evaluación de la eficiencia en el uso de los recursos. Sin embargo, se ha encontrado una limitación: no visualiza la relevancia de los recursos hídricos y terrestres dentro del nexo. Por lo tanto, se recomienda complementarlo con otras herramientas asociadas a la sustentabilidad como las huellas ambientales (hídrica, ecológica) y los índices de escasez de recursos, entre otros. A pesar que la exergía es una métrica unificadora, puede que los resultados obtenidos no sean de fácil comprensión para los tomadores de decisiones debido a las características multidimensionales del nexo; por ende, se recomienda complementar el análisis con otras herramientas, como es el caso del Análisis de Decisiones Multi-Mriterio (MCDA).