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La Clave | El ciclo urbano del agua
El uso de las nuevas tecnologías en la gestión del agua
Cristina Díez Santos
CEO y cofundadora de Open Hydro.
María Ubierna Aparicio
CPO y cofundadora de Open Hydro.
La gestión del agua enfrenta desafíos sin precedentes en el contexto actual de cambio climático. Almacenar, transportar y tratar el agua genera millones de toneladas de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) al año, no solo derivadas de la energía que se consume para las operaciones, sino también de los procesos físicos y químicos que sufre el agua y en los ecosistemas en los que las compañías operan.
Es vital obtener información sobre el ciclo del carbono en los sistemas de agua dulce e identificar los sumideros y las fuentes de emisiones de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4), un gas 84 veces más potente que el CO2 en los primeros 20 años de vida en la atmósfera.
Las emisiones antropogénicas que las compañías deben contabilizar y reportar de acuerdo con el protocolo de GEI (1) son las que surgen de cambios en el uso del suelo y su gestión, tales como los embalses, la alteración de los humedales y las turberas. Los cambios de uso del suelo son el segundo mayor emisor tras la combustión de combustibles fósiles a nivel mundial. Si bien las estimaciones globales están sujetas a una incertidumbre considerable, se calcula que las emisiones de los sistemas de agua dulce desempeñan un papel notable y contribuyen aproximadamente con el 20% de las emisiones globales de metano (2).
Las emisiones de GEI provenientes de los embalses representan aproximadamente 1 gigatonelada al año (3), lo que subraya la urgencia de encontrar soluciones innovadoras. Estas emisiones no contabilizadas hasta ahora desafían el logro de objetivos netos cero en el sector del agua y corren el riesgo de esfuerzos de descarbonización más amplios, como el desarrollo de embalses hidroeléctricos para desplazar los combustibles fósiles. Además, la creciente demanda de crear nuevos embalses para asegurar agua, alimentos y energía amplifica la importancia de abordar estas emisiones.
La evaluación precisa de las emisiones en los sistemas de agua dulce se beneficia al identificar áreas con altas emisiones, monitorear los cambios a lo largo del tiempo y fomentar la presentación de informes transparentes, generando confianza y responsabilidad en la búsqueda de cero emisiones netas en el sector del agua.
En este escenario, Open Hydro se posiciona como empresa pionera al ser la primera en ofrecer una solución digital que integra datos satelitales y utiliza aprendizaje automático para abordar las emisiones de embalses y capitalizar en acciones de reducción de emisiones.
Avances en la tecnología satelital para la detección de emisiones de metano de los embalses
Los avances recientes en la tecnología satelital han mejorado significativamente nuestra capacidad para visualizar y monitorear las emisiones de metano de cuerpos de agua como los embalses. Entre los numerosos satélites diseñados para el seguimiento de las emisiones de GEI, solo unos pocos ofrecen la precisión y la cobertura diaria global necesaria para un análisis y una optimización eficaces.
Tradicionalmente, los avances tecnológicos se han centrado en detectar emisiones de fuentes puntuales, como campos petrolíferos o fugas en oleoductos de distribución. Sin embargo, acontecimientos recientes están ampliando el enfoque hacia el monitoreo de cambios de uso del suelo y emisiones de los cuerpos de agua. Los satélites líderes en este dominio incluyen Sentinel-5, GOSAT, Methane SAT y OCO-2, todos los cuales cuentan con alta resolución espectral, cobertura global y ciclos de repetición bajos; y además su información es accesible de forma gratuita.
Características de los satélites líderes en la detección de metano
Otros como GHG Sat, líder en monitoreo de emisiones de CO2 y CH4, con una alta resolución, son privados. En el cuadro de la izquierda se muestran las características de estos satélites. Mientras que Sentinel-5 y GOSAT pueden medir varios gases de efecto invernadero, Methane SAT y OCO-2 se especializan en proporcionar mediciones detalladas de CH4 y CO2.
Si bien los datos de Sentinel-5 ofrecen información valiosa, principalmente brindan una visión preliminar de las emisiones atmósfericas, sin profundizar en los factores subyacentes que impulsan estas emisiones, ni en las posibles estrategias de mitigación. Esta limitación resalta la necesidad de realizar evaluaciones más detalladas, que pueden ayudar a comprender las causas de las emisiones y a desarrollar medidas de mitigación específicas como la plataforma de Open Hydro.
Plataforma Open Hydro: integración de datos satelitales y soluciones basadas en inteligencia artificial (IA)
Aquí es donde entran en juego las soluciones de software que combinan tecnología satelital y modelos de inteligencia artificial (IA). Al aprovechar estas tecnologías satelitales avanzadas, combinadas con datos de campo y modelización basada en aprendizaje automático, Open Hydro mejora la comprensión de las emisiones de metano de los embalses. Este enfoque nos permite identificar puntos críticos e informar de las estrategias más efectivas para descarbonizar los sistemas de agua dulce.
Además de concentraciones de metano, en Open Hydro recopilamos datos satelitales sobre diversos parámetros de calidad del agua y condiciones climáticas. Investigamos la correlación de estos parámetros con las emisiones de GEI y, al ser procesados mediante nuestros modelos de aprendizaje automático, ofrecemos resultados extremadamente precisos.
Open Hydro trabaja con datos de GOSAT y Sentinel-5 debido a su amplia cobertura global, la precisión de sus sensores TROPOMI y su resolución temporal diaria. Los sensores TROPOMI miden una amplia gama de gases, incluidos CH4, CO2, O3, NO2, CO y SO2, lo que hace que Sentinel-5 sea muy versátil para el monitoreo de los GEI atmosféricos. Utilizamos los datos e imágenes satelitales multiespectrales (ópticas) para detectar y verificar cambios en las emisiones. Al integrar estas imágenes satelitales con otros datos georreferenciados, podemos calcular los flujos de GEI en regiones específicas, proporcionando una base fundamental para identificar áreas con importantes emisiones de metano.
Realizamos un análisis de las emisiones de metano del embalse de Shitou Koumen, en China, utilizando datos de Sentinel-5. Para demonstrar cómo desarrollamos nuestra tecnología, procesamos los datos satelitales en imágenes utilizando algoritmos preexistentes, que luego refinamos para producir mapas de concentración de metano como el que se muestra en la imagen superior. Estos mapas permiten visualizar las emisiones sobre el embalse durante un período específico, lo que permite identificar las zonas con mayores emisiones y las rutas de emisiones relevantes, lo que nos proporciona información valiosa sobre los factores que las generan. En el caso del embalse de Shitou Koumen (véase la imagen de la derecha) revela una variabilidad notable con emisiones más altas observadas en el perímetro del extremo final del embalse.
La plataforma Open Hydro aprovecha datos satelitales de vanguardia y soluciones basadas en inteligencia artificial para proporcionar información precisa y procesable sobre los factores que influyen en las emisiones de los embalses. Nuestros sofisticados algoritmos ofrecen información personalizada sobre los parámetros que afectan las emisiones, reconociendo que son específicos de cada proyecto individual.
Mapa de concentración de metano (unidades en ppmm) sobre el embalse de Shitou Koumen en China(02/09/2023)
Comprender los factores influyentes clave de las emisiones permite el desarrollo de estrategias específicas y mejora los procesos de toma de decisiones. Por ejemplo, en un proyecto reciente cuantificamos el impacto de mejorar el estado trófico de un embalse en la reducción de emisiones (véase imagen siguiente). Nuestros hallazgos revelaron que una reducción del 30% en los niveles totales de fósforo podría resultar en una disminución de hasta el 8% en las emisiones de CO2.
Esta información detallada permitió a la empresa tomar decisiones más informadas con respecto a las acciones de mejora de la calidad del agua. Además, permitió a la empresa alinear sus esfuerzos con la Directiva Marco del Agua, avanzando simultáneamente en sus objetivos de neutralidad de carbono.
En Open Hydro enfatizamos la sinergia entre los datos satelitales y el análisis de datos de expertos. Nuestro enfoque ayuda a las empresas a comprender la compleja relación entre las acciones de calidad del agua y las emisiones de GEI de los embalses. Al combinar capacidades avanzadas de modelado con nuestro conocimiento especializado, garantizamos que las empresas reciban información precisa y completa, cumpliendo con los estándares ambientales y los requisitos de presentación de informes internacionales. Esta confianza en datos sólidos capacita a las empresas para implementar prácticas sostenibles de forma eficaz.
Relación de estado trófico y concentraciones de fósforo con intensidad de emisiones
Se asume que las emisiones iniciales, debidas a la conversión de la tierra en área inundada cuando la materia orgánica inundada se descompone, son más altas en los primeros 20 años después de la creación del embalse, y la tasa de descomposición disminuye con el tiempo. Sin embargo, no siempre este es el caso. Una vez transcurrido el período de 20 años, un embalse aún puede generar emisiones por varias razones:
- cuando se inunda el suelo y la vegetación circundantes en determinados momentos estacionales debido a fenómenos meteorológicos y a la regulación del nivel del agua, se crea una «zona de retracción». Las emisiones de estas áreas litorales pueden ser significativas y comparables a las emisiones de la superficie del agua.
- la materia orgánica transportada desde aguas arriba se acumula en el embalse y está sujeta a procesos físicos y químicos en lugar de fluir aguas abajo como habría sucedido antes de la creación del embalse.
En el peor de los casos, las emisiones de los embalses pueden ser comparables a las de una central eléctrica de carbón, como estima Ubierna et al. (2021) (4).
La oportunidad para las empresas gestoras de embalses
El precio sombra del carbono se ha convertido en una herramienta crucial para gestionar los riesgos climáticos y tomar decisiones más informadas en las empresas de gestión de aguas. Actualmente, la relevancia económica de esta innovación digital en el monitoreo de GEI de embalses no puede subestimarse. El precio sombra del carbono en Europa está fijado en 250 euros por tonelada y se prevé que alcance los 800 euros en 2050. Esta proyección implica que el riesgo financiero relacionado con el cambio climático asociado con los embalses podría aumentar de 319 mil millones de euros a 882 mil millones de euros para mediados de siglo.
Al mismo tiempo, las empresas de servicios de agua están invirtiendo millones en la mejora de la calidad del agua para reducir la contaminación de nuestros sistemas acuáticos, una inversión que se espera que aumente 60 veces en los próximos seis años.
La plataforma digital de Open Hydro es esencial para trasformar estos riesgos financieros en oportunidades, ofreciendo una solución innovadora que brinda beneficios económicos y de sostenibilidad.
Al medir las emisiones reducidas a través de acciones de calidad del agua, Open Hydro proporciona beneficios significativos, tanto para las empresas de servicios de agua como para las eléctricas que gestionan embalses para generación hidroeléctrica.
Aplicación práctica y beneficios para el sector del agua
Open Hydro diferencia entre CO2 y CH4, permitiendo identificar puntos críticos de altas emisiones y priorizar acciones de mitigación más efectivas. Además, al identificar emisiones de CH4, que son 84 veces más potentes que el CO2 durante los primeros 20 años, Open Hydro permite concentrar los esfuerzos de mitigación donde son más efectivos. La plataforma también facilita una mejor comprensión de las emisiones, lo que permite a las empresas de agua tomar decisiones de inversión más eficientes.
Experiencias
¿Cómo se generan las emisiones en los embalses?
En el mundo hay más de 58 000 grandes represas (las que ICOLD clasifica de más de 15 m de altura o con más de 3 millones de metros cúbicos) utilizadas principalmente para riego, seguidas de generación hidroeléctrica, suministro de agua y control de inundaciones. A medida que se sienten los impactos del cambio climático y aumenta la demanda de energía más limpia, se necesitan más represas para garantizar la seguridad alimentaria, hídrica y energética.
Los embalses gestionan eficientemente las fluctuaciones hidrológicas (por ejemplo, más precipitaciones) y representan el mayor almacenamiento de energía a nivel mundial. Sin embargo, si bien contribuyen a nuestra capacidad de adaptarnos al cambio climático, los embalses alteran las condiciones de la tierra y un hecho menos conocido es que cambian el ciclo natural del carbono.
El área inundada para crear un embalse previamente habría atrapado carbono en el suelo y en la vegetación que crece allí. La descomposición del suelo y la biomasa libera emisiones de CO2 a la atmósfera. La materia orgánica que se inunda cuando se crea un embalse, junto con la que fluye hacia él, se degrada debido a procesos físicos y químicos que generan emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), principalmente metano. Las burbujas de gas metano son comunes en la zona litoral de los embalses, procedentes de sedimentos poco profundos. En las zonas más profundas del embalse, la materia orgánica se deposita y se transforma en metano por falta de oxígeno. El metano escapa a la atmósfera mediante difusión a través del agua del embalse o por liberación durante el paso del agua por las turbinas (desgasificación). La cantidad de metano liberado depende de las características del embalse, y, con frecuencia, de la profundidad de la toma de agua para turbinado.
En nuestro último proyecto, Open Hydro ayudó a la reducción de 6000 toneladas de CO2e, equivalentes a 2 millones de euros. La mejora de la precisión en la estimación de GEI permite una mejor gestión de los recursos hídricos, ayudando a cumplir los objetivos de descarbonización y garantizando un futuro resiliente y sostenible para el sector del agua.
Conclusión
La gestión de embalses presenta desafíos ambientales y económicos significativos, pero también ofrece oportunidades sin precedentes. Open Hydro, mediante la integración de datos satelitales y tecnologías avanzadas de IA, se encuentra a la vanguardia de esta revolución, proporcionando soluciones que no solo mitigan riesgos, sino que también generan beneficios tangibles. La adopción de estas tecnologías representa una ventaja estratégica esencial para cualquier empresa que gestione embalses y busque reducir sus emisiones de GEI.
Notas
1
GHG Protocol. Land Sector and Removals Guidance. (pendiente de publicación en 2024) https://ghgprotocol.org/land-sector-and-removals-guidance
2
Lauerwald, R., Allen, G. H., Deemer, B. R., Liu, S., Maavara, T., Raymond, P., et al. (2023a). «Inland water greenhouse gas budgets for RECCAP2: 2. State-of-the-Art of global scale assessments». Global Biogeochemical Cycles, 37, e2022GB007657. https://doi.org/10.1029/2022GB007658
3
Deemer et al. (2016) proyectó las emisiones globales de los embalses en aproximadamente 0,8 ± 0,3 gigatoneladas (Gt), mientras que Johnson et al. (2022) se centró en los flujos globales de los lagos y sugirió emisiones de 41,6 ± 18,3 Tg de CH4/año, equivalente a 1,4 ± 0,6 Gt CO2e/año.
Deemer et al. (2016). «Greenhouse Gas Emissions from Reservoir Water Surfaces: A New Global Synthesis». Bioscience. 66. 10.1093/biosci/biw117.
Johnson et al. (2022). «Methane Emission From Global Lakes: New Spatiotemporal Data and Observation-Driven Modelling of Methane Dynamics Indicates Lower Emissions». Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 127. 10.1029/2022JG006793.
4
Ubierna, M., Diez, C., Mercier-Blais, S. (2021). «Chapter 5: Water Security and Climate Change: Hydropower Reservoir Greenhouse Gas Emissions». A. K. Biswas and C. Tortajada (eds.) Water Security Under Climate Change. Water Resources Development and Management. Springer Nature Singapore Pte Ltd.