Ósmosis Inversa de Energía Eólica

Introducción.

El panorama respecto al agua para consumo humano es desalentador. Casi dos millones de personas se mueren al año por falta de agua potable y es probable que en 15 años la mitad de la población mundial viva en áreas donde no habrá suficiente agua. Nuestro planeta contiene más de mil millones de billones de litros de agua, pero poca se puede tomar. Más del 97 % del agua en la Tierra es salada y dos tercios del agua dulce se encuentra retenida en glaciares y capas de hielo polar.

Por otra parte, el crecimiento de la población y sus necesidades energéticas hacen imprescindible una política de ahorro de energía y la búsqueda de nuevas fuentes. El desarrollo de las energías limpias es necesario para combatir el cambio climático y limitar sus efectos. Este proyecto busca satisfacer esta necesidad básica, proporcionándole a los barrios más vulnerables de la ciudad de Santa Marta un caudal de 5000 de agua potable, producida mediante la transformación de energía eólica a los distintos tipos de energía necesarias.

Los orígenes de los estudios acerca de la desalinización del agua se remontan al siglo V a.c. y desde ese entonces esta tecnología ha ido perfeccionándose, experimentando un auge durante las últimas décadas del siglo XX. Durante la Edad Media, muchos alquimistas árabes y persas practicaban la desalinización del agua del mar haciendo uso de la energía solar. La fuerza del viento se ha aprovechado durante muchos siglos. Su primera y más sencilla aplicación, desde hace más de 500 años, hecha por los egipcios, fue el uso de las velas en la navegación.

Un proceso de desalinización de agua de mar separa el agua de mar salina en dos corrientes: una corriente que contiene una baja concentración de sales disueltas y una corriente de salmuera concentrada. A lo largo de los años, se ha desarrollado una variedad de tecnologías de desalinización sobre la base de destilación térmica, separación de membranas, congelación, electrodiálisis, etc.

Desarrollo

En 1999, aproximadamente el 78% de la capacidad mundial de desalinización de agua de mar estaba formada por plantas de destilación flash en múltiples etapas, mientras que la osmosis inversa representaba el 10% [3]. Existen alrededor de 21.000 plantas de desalinización operantes y la mayoría se encuentra en Oriente Próximo. En la gura 1 se presentan las 10 mayores plantas desalinizadoras del mundo.

Actualmente también existen múltiples parques eólicos alrededor del mundo, sin irnos lejos, en Colombia se encuentra el parque eólico Jepírachi que significa vientos que vienen del nordeste en dirección del Cabo de la Vela en Wayuunaiki. Jepírachi es un parque experimental, un laboratorio para conocer y aprender sobre una energía limpia y renovable como la eólica, que puede ser alternativa de abastecimiento energético para el país en el futuro. Jepírachi está conformado por 15 aerogeneradores Nordex N60/250 – 1.3 MW cada uno, para un total de 19,5 MW de capacidad instalada [5].

Requerimientos y restricciones.

Para la descripción de las restricciones encontradas para la planificación y desarrollo de una planta desalinizadora de agua de mar mediante el aprovechamiento de la energía eólica, se dividieron en restricciones para el aprovechamiento de la energía eólica y para la potabilización del agua de mar. Dentro de las restricciones para el aprovechamiento de la energía eólica podemos encontrar restricciones técnicas, restricciones legales y restricciones ambientales. En el 2014, el congreso de la república aprobó la ley 1715 del 2014, por medio de la cual se regula la integración de las energías renovables no convencionales al sistema energético nacional. 

Desde la instauración de esta ley, han surgido otros decretos y resoluciones para fomentar, delimitar y regular las incidencias de las energías alternativas en el país, entre estas la eólica. Con respecto a las restricciones ambientales, existen aspectos visuales debido a que las turbinas generalmente están soportadas por una torre de 40-60 m, disponen de tres palas y de un diámetro de 42-48 m, por lo que suponen una obstrucción de la vista.

 De igual forma, uno de los principales problemas con la instalación de parques eólicos es el impacto que causa a la fauna de la zona, generalmente, las zonas para la instauración de dichos parques coinciden con las zonas de pasos y hábitat de muchas especies de aves, por lo que se requiere instalar un sistema de alerta y disuasión de aves.

De igual forma, para la potabilización del agua de mar existen restricciones técnicas, legales, ambientales y de sanidad. Para la optimización de los recursos en los costos iniciales y de operación, se requiere una planta localizada en una zona geográfica con facilidad para la captación de agua de mar. Además, para evitar que se generen contaminaciones salinas a otros sondeos preexistentes, hay que situar las captaciones por lo menos entre 50 a 100 metros de distancia cerca del mar.

Definición del sitio.

Luego de una exhaustiva búsqueda, se decidió que la planta se ubicará en la ciudad de Santa Marta, Colombia. Ya es bien conocido que en esta ciudad cuando no llueve, los ríos Piedra y Manzanares se quedan sin agua y no hay forma de que llegue el flujo a los habitantes por la insuficiencia en la captación. Según un estudio del Departamento Nacional de Planeación los samarios pagan el agua más cara del país. 

Se construirá la planta desalinizadora y el parque eólico en los antiguos lotes de Prodeco, cerca del aeropuerto, estos predios son infértiles para cualquier otro tipo de actividad. El terreno tiene un área de aproximadamente 32 hectáreas. Según lo encontrado en literatura, una planta con una producción 5000 /día necesita entre 2500-3200, por lo tanto, hay más que espacio disponible para los aerogeneradores, oficinas y demás.

Capacidad de la planta.

Se realizaron investigaciones acerca del déficit de agua potable en Santa Marta para asegurarnos de no producir más de lo que se necesita, se encontró que este es de 120 l/s lo que equivale a 86.4/día. Seguidamente, se investigó el consumo promedio de agua potable de un habitante en Colombia. Según la epm, una persona consume en promedio 3.8 de agua al mes. Se abastecerá a las zonas más vulnerables de Santa Marta, a aproximadamente 35700 habitantes por lo cual se requiere producir un caudal de minimo 135660 m3/mes lo que es equivalente a 4460 m3/día.

 Utilización de la energía eólica

A pesar de las múltiples ventajas de la energía eólica, no todo es como se desea. La principal desventaja de esta es la incapacidad para controlar el viento. En Santa Marta, durante todo el año, la velocidad del viento varía en un rango de 1 m/s a 11m/s. Sin embargo, este rango de velocidades no es información suficiente para definir con detalle la utilización de energía eólica. 

Por esta razón, se realizó un análisis con datos registrados de velocidades del viento durante todo el año 2018 por medio del servicio comercial de información meteorológica. Con esto, se analizaron las velocidades a cada hora para un día típico de cada mes del año, comprobandose lo inestable que puede ser el viento en el territorio, siendo febrero, marzo y abril los meses donde se presentan los mayores registros de velocidad del viento.

Una vez hecho este análisis, fue posible determinar el óptimo día operativo en el cual se aprovechan los mayores rangos de velocidades del viento, el parque eólico tendrá un horario de operación de 6 a.m. a 6 p. m. Para salvar los momentos en los que no se dispone de viento suficiente para la producción de energía eólica es indispensable un respaldo de las energías convencionales.

Generación de Energía.

Modelo de Aerogenerador: La selección del correcto aerogenerador dependerá de la capacidad de absorción de energía o potencial eólico que tiene cada uno, lo cual está en función de la densidad de potencia, velocidad, dirección del viento y área a través de la cual el viento esté pasando. El potencial de un área se realiza anualmente.

Según la información arrojada por de la estación meteorológica ubicada en el Aeropuerto Simón Bolívar de la ciudad de Santa Marta a una altura de 10 m, se analizan las velocidades y temperaturas a cada hora para un día típico de cada mes del año. La estación meteorológica también suministra dirección del viento, dentro de la amplia gama de aerogeneradores se escogerá uno capaz de orientarse automáticamente para aprovechar al máximo la energía cinética del viento.

Se escogieron 3 alternativas de aerogenerador en función del rango de velocidades de viento a las que la planta debe operar para aprovechar su máxima eficiencia, siendo las opciones evaluadas Enair 200, Vestas V112 Onshore y Enercon E-33/300. Teniendo presente que el viento cambia de velocidad con la altura por al rozamiento que provoca la superficie terrestre, se procede a calcular las velocidades corregidas que están en función de la altura sobre el terreno real de ubicación. Esto se modela por medio de la siguiente ecuación:

Una vez hechos todos los cálculos para las tres alternativas, se definió como mejor opción el aerogenerador Vestas V112 ya que resultó ser el que aprovecha su máxima eficiencia en las velocidades de viento que experimenta la ciudad de Santa Marta. Este aerogenerador cuenta con un área de barrido de , la altura de su torre es de 84 metros y su potencia nominal es de 3 MW. Teniendo en cuenta que el área total disponible para la planta es de , el número de aerogeneradores debe ser de 2 dejando un área de disponibles para la planta de ósmosis inversa. 

Proceso de Generación: Se decidió emplear un sistema eólico híbrido como una combinación de la tecnología de la energía eólica y la Red Eléctrica de forma de poder integrar de forma óptima ambas fuentes de Energía. Si el consumo es superior a la energía suministrada, se toma la energía que le falta de la red pública. En ausencia de viento es posible emplear energía exclusivamente a partir de un almacenamiento o se podrá tomar energía de la red pública. Esto se muestra en el esquema a continuación.

El almacenamiento de energía puede ser realizado mediante aire comprimido en un motor reversible, volante de inercia o mediante bombeo hidroeléctrico, para nuestro caso se empleará este último, las plantas de bombeo reversible están formadas por dos depósitos de agua separados verticalmente y conectados entre sí. Esto permite que una bomba eleve el agua desde el depósito inferior hasta el superior, donde permanecerá almacenada hasta que se requiera esa energía.

Tecnologías de Desalinización.

En una planta de desalinización el proceso más importante es el que elimina las sales del agua. Es importante elegir el método que se va a emplear en función de las características de la planta, del caudal a tratar, las características del agua, etc. Entre estas técnicas destacan evaporación de múltiples etapas, osmosis inversa y destilación multietapas. Este proyecto se basa en la técnica de Ósmosis Inversa por sus ventajas en comparación con las otras, el proceso consiste en aplicar presión externa mayor que la osmótica entre las dos soluciones para conseguir la inversión del proceso, es decir, que exista circulación de la solución con menos sales a la solución con más sales.

Pre-tratamiento físico.

En el pretratamiento físico se eliminan del 90-99 % de los sólidos antes de entrar al proceso de Ósmosis Inversa, se puede realizar por medio de filtros o membranas. Las alternativas para el proceso del pre-tratamiento son: Pre-tratamiento convencional, Ultrafiltración y Nanofiltración. El pre-tratamiento convencional por medio de filtros ofrece una buena protección de las membranas y menor costo.

Los filtros, retienen los sólidos que se encuentran en el fluido al atravesar por diferentes capas de material. Se pueden clasificar principalmente según su funcionamiento en filtros presurizados o filtros por gravedad y pueden tener una, dos o tres capas de material. Se emplea un filtro presurizado, debido a que la velocidad del filtro por gravedad es muy baja.

Proceso de intercambio de calor.

La temperatura influye de manera directa en la condición del líquido permeado, esta puede llegar a afectar tanto a la presión osmótica como a la permeabilidad del agua a través de la membrana. Por cada °C de incremento de temperatura del fluido, el caudal de permeado aumenta alrededor de 3%. Del mismo modo, el paso de sales aumenta a la misma tasa que el flujo, por lo tanto, al aumentar la temperatura y manteniendo un flujo constante, la calidad del permeado disminuye. 

Es por esto que se evaluó la implementación de un intercambiador de calor que permita regular la temperatura de aportación al sistema de osmosis y así controlar la eficacia de la producción de agua potable. Entre las alternativas presentadas para regular este factor se encuentran los intercambiadores de calor de tubos y coraza y los intercambiadores de calor de placas. 

Se decidió emplear un intercambiador de tubo y coraza debido a que el de placas maneja presiones de trabajo limitadas por la posibilidad de lograr una buena estanqueidad en las juntas, además, presenta mayores pérdidas de presión, lo cual es un factor crítico en nuestro diseño. Debido a esto, se ubicará el intercambiador de calor después de los filtros de arena y antes de la bomba de alta presión.

Proceso de ósmosis inversa.

En el proceso de ósmosis se eliminan moléculas y partículas del agua con el fin de purificarla por medio la aplicación de una presión igual o mayor a la presión osmótica para que el fluido con mayor concentración de sólidos pase a través de la membrana. Las posibles configuraciones de las membranas son: De una sola etapa, de múltiples etapas y de circuito cerrado. El proceso de ósmosis empleado tiene una configuración de una sola etapa de membranas y únicamente se requiere aplicar presión en la entrada.

Sistema de recuperación de energía.

Las alternativas para el sistema de recuperación de energía son: un intercambiador de presiones y una turbina Pelton. La turbina Pelton se encarga de emplear la energía hidráulica del flujo de rechazo y convertirla en energía mecánica que puede ser aprovechada por los equipos de mayor consumo, en este caso, por la bomba de alta presión para disminuir el uso de energía eléctrica. Su costo es mucho menor que el intercambiador de presiones.

Post tratamiento.

Dado que el sistema de ósmosis inversa tiene gran capacidad de eliminación, el agua producto de la etapa anterior aún no es apta para el consumo. Por este motivo es necesario añadir sustancias al agua mediante un proceso de remineralización. La dosificación de CO2 debe hacerse, a ser posible, a contracorriente y en caudal descendente. 

La velocidad del agua en la tubería descendente debe ser no superior 0,07m/s para evitar el arrastre de las burbujas. Estos sistemas funcionan con la presión residual del agua de salida de la ósmosis inversa. El análisis de las técnicas de remineralización demuestra que la técnica de lechos de calcita presenta menor consumo de CO2 y menor complejidad de proceso.

Vertido de la salmuera

Dentro de las opciones encontradas para el rechazo de la salmuera se encuentran el rechazo de salmuera al mar, reutilización de vertidos de salmuera en procesos de cultivo de camarón y venta de salmuera a plantas de procesos agroalimentarios [20]. Contrastando las ventajas y desventajas de cada uno de los métodos, se concluyó que la mejor opción es la reutilización en procesos de cultivo de camarón en estanques de ambiente controlado. En Colombia, la Camaronicultura es parte de un proyecto en desarrollo que siempre ha buscado implementar nuevas técnicas que asegure el posicionamiento del sector en mercados exigentes.

 Sistema de Control

En una planta de ósmosis, como en cualquier otra, existen ciertas variables que son necesitan de continuo monitoreo, entre estas destacan: caudal, temperatura, presión y consumo eléctrico, estas se monitorearán como se explica a continuación.

  • · Un caudalímetro en la entrada y salida de cada equipo.
  • · Un contador general del consumo energético de la instalación para identificar cuando es necesario emplear las fuentes de energía alternas a los aerogeneradores.
  • · Termopares para controlar la temperatura a la entrada de las membranas de ósmosis inversa.
  • · Manómetros en la entrada y salida de cada etapa de filtración y en las membranas para determinar la pérdida de carga en cada equipo y proceder a su limpieza en caso necesario.
  • · Señales para la apertura y cierre de válvulas.
  • · Interruptor de nivel en los depósitos.
  • · Presostato de baja en la aspiración de las bombas.
  • · Alarmas: Alarma de nivel en los depósitos, alarma de vacío en la aspiración de las bombas, alarmas de temperatura.

Sin embargo, debido a que el agua del mar de Santa Marta se encuentra en la temperatura óptima para el proceso de ósmosis, se debe evaluar minuciosamente si el aumento de la eficiencia compensa los costos de la implementación de un intercambiador de calor. Se empleó el software Aspen Exchanger Design & Rating para realizar los cálculos, en este se debe especificar el flujo másico del agua caliente, que en este caso es el agua a potabilizar, las temperaturas y presiones de entrada de ambos flujos y la temperatura de salida deseada del fluido caliente, a continuación se resumen los resultados de las características térmicas y geométricas.

 Máquinas de flujo y sistemas de tuberías

Para nuestro caudal de 0.57 m3/s la torre se encontrará a 10 m de profundidad; dentro de la torre se encontrará la bomba sumergible de captación en la cual estará conectada la tubería de captación de agua de mar, se decidió usar polietileno de alta densidad PEHD-100. De igual forma, se definió una altura del tanque de almacenamiento de agua de aproximadamente 3 metros sobre el nivel del mar.

Al inicio del proceso de pretratamiento se encuentra una bomba de baja presión, el agua que será impulsada proviene del tanque de almacenamiento y se dirige hacia los filtros de arena y carbón pasando primero por el pretratamiento químico, tal como se ilustra en el trazado. La entrada de presión a los filtros de arena y carbón recomendada es entre 0,35 y 8 bares. Se necesita entonces una presión de entrada a los filtros de arena y carbón de 4,5 bares. Las pérdidas de presión en el pretratamiento físico son de 0,35 bares, por lo tanto, la presión de entrada a la bomba de alta presión es de 4,165 bares.

Debido a las altas presiones que se necesitan para el vencer la presión de permeado en la ósmosis, se necesitó cambiar el material de la tubería a uno más resistente y que tuviera cualidades similares. El acero inoxidable AISI316L, es ideal para condiciones de trabajo extremas y a su vez muy usado en plantas desalinizadoras a nivel mundial.

Como el fluído después de la ósmosis tiene una alta presión, ya que en el proceso de ósmosis solo hubo una caída de presión de 1 bar,, no se necesita una bomba para llevar el agua por el post tratamiento y posteriormente al tanque de almacenamiento para su posterior abastecimiento. Por esto, se seleccionará una tubería de AISI316L SCh80 de diámetro nominal de 8in. Para recuperar esta energía se instala una turbina pelton. Se consideró un tanque de almacenamiento para el caudal permeado a una altura de 4m sobre el nivel del mar y una tubería de 15m.

Para el cálculo de las tuberías, se procedió a iterar y a calcular el diámetro económico, teniendo el cuenta la suma de los costos de operación y de capital de la tubería, mediante el siguiente procedimiento: Se utiliza un filtro de carbón activado FIC-300 de Veolia Water Solutions & Technologies con Qmax=141,4m3/d y Qmin=70,7m3/d. Después de varias iteraciones, se encuentra que el número de filtros adecuado es 6, ya que en caso de que estén fuera de funcionamiento uno o dos filtros, el sistema puede seguir .

Conclusión

 

Los principales fabricantes de membranas para desalinización son Filmtec, Hydranautics, Desal y Toray. Filmtec tiene una amplia gama de membranas que cumple con los requerimientos. El tipo de membrana del fabricante que cumple con los requerimientos es SW30XLE-400i y los tubos de presión seleccionados son los 80E100 de la empresa Codeline.

Para el cálculo del costo del kWh eólico, se calcularon y estimaron por medio de la literatura, variables económicas y costos directos ligados al proyecto. Por medio del Software virtual GeolCoe, fue posible calcular rápidamente el costo nivelado de electricidad del proyecto, partiendo de información básica de los costos agregados de inversión, operación y mantenimiento, combustible, entre otros, Siendo este de $720 pesos colombianos por Kwh, donde gran porcentaje se debe al elevado costo de inversión en los aerogeneradores los cuales tienen un costo de $ 3.261.922,47 dólares cada uno aproximadamente.

Bibliografía

  • Moya, E. Z. (1997). Desalinización del agua del mar mediante energías renovables. In Actas del I y II seminario del agua (pp. 199-226). Instituto de Estudios Almerienses.
  • Howe, E. D. (1974). Fundamentals of water desalination. M. Dekker.
  • Custodio, E., & Llamas, M. R. (2001). Hidrología subterránea. Barcelona, España. Omega, 1, 1157.
  • Desalinización solar: obtener agua potable del mar de forma sustentable | DW | 03.08.2017. 
  • Moragues, J. A., & Rapallini, A. T. (2004). Aspectos ambientales de la energía eólica. Documento del Instituto Argentino de la Energía, Buenos Aires.
  • Energía Eléctrica – Ministerio de Minas y Energía. (2019).
  • Energías renovables. (2019).
  • Moragues, J. A., & Rapallini, A. T. (2004). Aspectos ambientales de la energía eólica. Documento del Instituto Argentino de la Energía, Buenos Aires.
  • Sanz, D. (2011). Sistema para alejar a las aves de los aerogeneradores. 
  • Moragues, J. A., & Rapallini, A. T. (2004). Aspectos ambientales de la energía eólica. Documento del Instituto Argentino de la Energía, Buenos Aires.
  •  IMEA, Decreto 1594: Sobre usos del agua y residuos líquidos, 1984.
  •  Tiempo, ‘Se agudiza crisis de agua potable en Santa Marta’, El Tiempo, 2018. [Online]. 
  • ‘Tarifas, solicitud del servicio, usos inteligentes del Servicio Público de Aguas, Acue- ducto y Alcantarillado de EPM por parte de usuarios de hogares’, Epm.com.co, 2019. [On-line]. 
  •  ‘Desventajas de la energía eólica – Twenergy’, Twenergy.com, 2012. [Online].
  • Wind Turbine Models Vestas On shore.
  • Sistemas Híbridos. Principio de funcionamiento y preguntas frecuentes, Energías inteligentes. 
  • Sistemas de captación en desaladoras de agua de mar (I). Tomas abiertas.
  • Del Toro, K, Fernandez, L. “Energías alternativas”. Universidad del Norte.
  • “Costos nivelados de generación de electricidad en Colombia”.
  • Colomina, J. “Diseño de una planta desalinizadora con sistema de osmosis inversa para producir 20000 m3 /día”
17 February 2022
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