panorama

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El agua es un bien fundamental para la supervivencia de los seres humanos, la producción de alimentos y energía, el desarrollo socioeconómico, etc. A pesar de que tres cuartas partes de la superficie del planeta están cubiertas de agua, solamente el 3% es agua dulce. El crecimiento demográfico y el calentamiento global, entre otros factores, ha originado que en las dos últimas décadas los recursos de agua dulce hayan disminuido en más de un 20%. Una de las soluciones a esta crisis es el uso de tecnologías para desalinizar el agua procedente de mares y océanos. Es un artículo de Mª José Cuesta Santianes y Marta Pérez Martínez, que trabajan en la Unidad de Inteligencia y Prospectiva del Ciemat.
Desalinizar agua de mar con renovables
Diseño de un sistema FV flotante para la planta de ósmosis inversa Las Palmas II. Fuente: Emalsa

Los principales métodos de desalinización se dividen en dos grandes grupos: la desalinización mediante membranas y la desalinización por destilación o evaporación. Entre las tecnologías de membranas cabe destacar la ósmosis inversa, técnica más utilizada en España, la nanofiltración y la electrodiálisis. Entre las tecnologías de desalinización por destilación o evaporación, más utilizadas en Oriente Medio, cabe resaltar la evaporación instantánea multietapa, la evaporación multiefecto y  la compresión de vapor (mecánica y térmica).

Desde los años 60, las plantas desalinizadoras han experimentado un crecimiento muy significativo, especialmente en las últimas décadas. Hoy en día, muchos países, aproximadamente 300 millones de personas, dependen del agua de las plantas de desalinización. Las tecnologías de membranas son las más utilizadas (69-73%) y, entre ellas, la ósmosis inversa es la que domina el mercado mundial, siendo la más económica para tratar aguas con alto nivel de salinidad. En aguas con menores concentraciones de sal se suelen utilizar la electrodiálisis y la desalinización inversa por electrodiálisis. Otros tipos de tecnologías de membrana como la ósmosis directa, la desalinización por adsorción y la destilación por membrana se encuentran en fase de desarrollo y se prevé que en un futuro cercano van a disponer de un gran potencial.

Coste energético elevado
A pesar del desarrollo experimentado por las tecnologías de desalinización durante las últimas décadas, su coste energético es muy elevado. Además, el uso de combustibles fósiles conduce a un agravamiento adicional de la situación. En este contexto, la implementación de fuentes de energías renovables en estos sistemas se contempla como una solución óptima. Actualmente, la energía solar y la eólica son las más utilizadas en sistemas aislados, los cuales, en muchos casos disponen de baterías para el almacenamiento energético. Adicionalmente, cabe destacar la energía geotérmica, caracterizada por la generación estable de calor y electricidad, independientemente de la hora del día o las condiciones ambientales.

El objetivo de este estudio es llevar a cabo la identificación y el análisis de las patentes en el campo de la desalinización del agua del mar mediante energías renovables, así como determinar cuáles son los actores mundiales más relevantes del sector y sus áreas de actividad con vistas a precisar cuál es su nivel actual de desarrollo tecnológico, próximo a la innovación. Para ello se utilizará la herramienta Global Patent Index con acceso a las bases de datos de la Oficina Europea de Patentes. Previamente, se llevará a cabo el diseño de las correspondientes ecuaciones de búsqueda consistentes en la combinación de palabras clave, operadores booleanos y códigos de la Clasificación Cooperativa de Patentes.

Hasta la fecha, se han identificado a nivel mundial más de 5.000 familias de patente (incluidos modelos de utilidad) en el ámbito objeto de estudio. Las primeras solicitudes proceden de los años cuarenta, lo que evidencia el desarrollo tecnológico temprano en este campo. La primera etapa de esplendor se produjo entre finales de los años 70 y mediado de los 80, pero no es hasta finales de los años 90 cuando la protección de este tipo de invenciones comenzó a despertar un gran interés. Desde ese momento hasta 2018, el crecimiento ha sido prácticamente exponencial. A partir de esa fecha, se observa un descenso paulatino, cuya continuidad habría de verificarse a finales de 2022, fecha en la que deberían aparecer abiertas al público todas las solicitudes registradas en 2021 en las bases de datos de patentes.

España domina las patentes en Europa
En este estudio se analizará el periodo comprendido entre 1999 y 2019. Durante esta etapa, se solicitó protección por primera vez para el 79% de las invenciones. Esto se corresponde con más de 7.000 solicitudes. El 11% son solicitudes de patente internacional. Este tipo de solicitud se utiliza cuando las empresas pretenden proteger sus invenciones simultáneamente en un gran número de países. No se trata de un procedimiento de concesión de patentes ni sustituye a las concesiones nacionales, sino que es un sistema por el que se unifica la tramitación previa a la concesión. El 5% de las solicitudes son de patente europea y el resto se registraron únicamente en oficinas de patentes nacionales, de modo que el 37% se presentaron en China, el 12 % en Estados Unidos y el 5% en Corea del Sur.

El 60% de las invenciones registradas entre 1999 y 2019 dispuso en algún momento de, al menos, una patente o modelo de utilidad en vigor. Las oficinas de patentes con mayor número de concesiones son, principalmente, la china (65%), la estadounidense (19%) y la coreana (8%). Cabe destacar que más del 95% de las concesiones chinas perteneces a entidades chinas. Los países europeos donde se validó un mayor número de patentes europeas son España (46%), Dinamarca (17%) y Portugal (16%). Asimismo, destacar que el 99% de los modelos de utilidad pertenecen a entidades chinas.

Energía solar, la tecnología más relevante
Haciendo un estudio detallado sobre el tipo de energía renovable al que se refieren las invenciones, se observa que la más representativa es la energía solar, tanto térmica como fotovoltaica (67% de las familias), siendo la solar térmica la más relevante. En segundo lugar, a gran distancia, se encuentra la energía eólica (15% de las familias), seguida de la energía marina (6%) y la energía geotérmica (1%).

En relación a los titulares principales de las patentes, los de origen chino son los más numerosos. Para lograr obtener una visión más global, en la Tabla 1 (para ver bien las tablas es mejor que descargues aquí la versión en PDF) se recogen, además de los solicitantes chinos más representativos (aquéllos con quince o más invenciones protegidas), los solicitantes no chinos más relevantes (aquéllos con seis o más invenciones protegidas) y las empresas europeas más destacadas (aquéllas con dos o más invenciones protegidas). Con el fin de determinar las líneas de desarrollo de estas entidades, se analizaron los códigos más frecuentes de la Clasificación Cooperativa de Patentes (CPC) asociados a sus documentos (Tabla 2).

Las invenciones de la Universidad de Zheijang, líder en número de invenciones protegidas (Tabla 1), van dirigidas mayoritariamente al uso de la energía solar. Tan solo el 9% se refiere a la energía eólica. En relación a las tecnologías de desalinización utilizadas, el 25% de las invenciones describen sistemas de destilación/evaporación, el 15% se refiere a ósmosis inversa y el 6% a ósmosis directa. Estas tecnologías se aplican individualmente o combinadas. Cabe también destacar que el 3% de los modelos de utilidad se orientan a la fabricación de membranas.

El segundo y tercer lugar en la Tabla 1 lo ocupan el Instituto Tecnológico de Beijing y la Universidad de Shandong, ambas con 24 invenciones protegidas. El Instituto Tecnológico de Beijing registró las primeras solicitudes de cada una de sus familias entre 2010 y 2017, siendo 2014 su año más activo (Tabla 2). El 67% de sus invenciones están relacionadas con el uso de la energía solar y el 4% con la energía eólica. El 6% de las relativas a la energía solar describen el desarrollo de dispositivos con superficies reflectantes. En relación a las tecnologías de desalinización utilizadas, el 29% se refiere a las de destilación/evaporación, el 28% de ellas con películas delgadas. El 8% está relacionado con la ósmosis inversa. En el caso de la Universidad de Shandong, las primeras solicitudes datan de 2001, siendo el año más activo el 2012 (Tabla 2). Nuevamente, la energía solar es la más representativa, de modo que el 20% de las invenciones describe dispositivos solares de concentración y el 8% colectores solares térmicos. Además, el 8% de sus invenciones hace referencia al uso de la energía marina. Respecto a las tecnologías de desalinización, destacan las de destilación/ evaporación (48%) y las de ósmosis inversa (16%).

En la cuarta posición de la Tabla 1 se posiciona el Instituto de Maquinaria y Materiales de Corea. Dispone de 22 invenciones protegidas a través de 33 patentes en 7 países (Tabla 2). Las primeras solicitudes de cada una de sus familias se presentaron entre 2007 y 2019, siendo 2012 su año más activo. El 14% de sus invenciones hace referencia al uso de la energía marina. La tecnología de desalinización más utilizada es la ósmosis inversa (45%), seguida de la ósmosis directa (9%) y la evaporación multiefecto (9%). El 27% van dirigidas a la recuperación de energía.

Entre las entidades no chinas cabe también destacar la Universidad King Fahd de Petroquímica y Minerales (Arabia Saudita), con 16 invenciones protegidas a través de 51 patentes en Estados Unidos, Australia, Canadá, China, Corea del Sur, Japón, Sudáfrica, España, Rusia y México (Tabla 1). En el 27% de sus patentes comparte la titularidad con el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). La primera solicitud se registró en 2006 y su año más fructífero fue el 2018 (Tabla 2). El 33% de las invenciones se refiere a sistemas de humidificación-deshumidificación multietapa donde la energía térmica se aporta mediante concentradores solares. En el 13% de las invenciones se emplean sistemas de ósmosis inversa alimentados por energía solar o por la combinación de energía fotovoltaica y eólica. Cabe mencionar aquí el uso de la energía geotérmica, además de la solar y la eólica, en sistemas de destilación/ evaporación.

Entre las entidades estadounidenses destaca el MIT, con 11 invenciones protegidas en diferentes países (Tabla 2). El 18% describe sistemas de destilación con membrana con espacio de aire (AGMD) alimentados con energía eléctrica, energía solar, geotérmica, etc. El 18% utiliza la polarización por concentración de iones (ICP) para la desalinización directa del agua de mar sin membrana mediante energía fotovoltaica.

Otras empresas estadounidenses destacadas son Gradiant Corporation y Oasys Water, con 7 y 6 invenciones protegidas, respectivamente. Oasys Water tiene muy pocas invenciones protegidas fuera de Estados Unidos (Tabla 1). Las invenciones de ambas instituciones se refieren al uso de energía solar, sin embargo, difieren en las tecnologías de desalinización. Así, las pertenecientes a Gradiant Corporation emplean sistemas de humidificación-deshumidificación y las de Oasys Water sistemas de membrana impulsados osmóticamente.

Entre las entidades europeas destaca la empresa neerlandesa Desolenator. Cuenta con tres invenciones referidas al uso de energía solar en sistemas tales como destilación instantánea multietapa, de efecto múltiple, de efecto múltiple con recompresión de vapor y de ósmosis inversa. Otras entidades europeas relevantes son la empresa alemana Aerodyn Engineering, líder en tecnologías de aerogeneradores, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la empresa danesa HSL Energy Holdings. Todas ellas disponen de dos invenciones.

Las patentes de Aerodyn Engineering se refieren al uso de energía eólica en sistemas de ósmosis inversa y de compresión de vapor. Las invenciones del Centro Aeroespacial Alemán describen sistemas de desalinización por ósmosis inversa y por congelación alimentados por energía solar. Finalmente, las de la empresa danesa HSL Energy Holdings tratan de sistemas de destilación multiefecto y destilación flash multiefecto alimentados, asimismo, por energía solar.

En la Tabla 2 (para ver bien las tablas es mejor que descargues aquí la versión en PDF) se pueden identificar las estrategias y los horizontes temporales de actividad del resto de las entidades recogidas en la Tabla 1. También se muestran los códigos CPC más representativos de sus invenciones, cuyo significado se describe en la Tabla 3.

Contenido incluido en la edición de abril de la revista de papel Energías Renovables (ER 210)

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Ángel Ganivet
Es importante apostar por el sector de la desalinización, para aportar riqueza a las zonas turísticas y agrícolas del sureste peninsular.\r\nLos territorios que déficit hídrico tienen que disponer de agua, ya sea de trasvases o desalada. \r\nEn la actualidad hay varias desaladoras pendientes de construir que son urgente. \r\n
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