Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Ingeniería Industrial Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Autor: Álvaro Cano Díaz Tutora: Lourdes García Rodríguez, con la colaboración de Jesús Montes Sánchez Este trabajo se ha realizado en el marco del proyecto ZERODESOL (PID2022-139571OB-I00), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación. Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2 024 iii Trabajo Fin de Máster Ingeniería Industrial Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Autor: Álvaro Cano Díaz Tutor: Lourdes García Sánchez Dpto. de Ingeniería Energética Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v Trabajo Fin de Máster: Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Autor: Álvaro Cano Díaz Tutor: Lourdes García Sánchez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2024 El Secretario del Tribunal vii Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer a mi familia. Sin ellos no habría sido posible que hoy estuviese escribiendo estas líneas, que hacen culminar mis estudios en ingeniería. Mención especial a mi madre, que me apoyó en todo momento con mis estudios, sin importar el momento, siempre buscando lo mejor para mí. Desde arriba nos están vigilando, y que orgulloso debe estar de todos los logros de esta familia. A mi compañera de viaje, mi Ana, mi mitad, la que me da fuerzas diarias, me sabe aguantar y escuchar, y me ha insistido tanto para que me dicidiese a terminar el máster. Todo es mucho más fácil contigo. A mi tutora, Lourdes García, y su colaborador y amigo personal, Jesús Montes. Gracias por guiarme y sacar todo vuestro tiempo e interés, durante la ejecución de este trabajo. Álvaro Cano Díaz Sevilla, 2024 ix Resumen La desalación de agua de mar es actualmente una de las principales soluciones a la escasez de agua, debido fundamentalmente al gran crecimiento demográfico y a la problemática del cambio climático. Esta solución es, al mismo tiempo, un gran reto ingenieril que se nos presenta, ya que se trata de una tecnología que presenta grandes ventajas, pero también muestra desventajas con amplio rango de mejora, como lo son alto coste energético asociado o el tratamiento de la salmuera resultante. En una búsqueda continua de optimización energética, se presenta este trabajo que tiene como objetivo el análisis y estudio, tanto técnico como económico, de una planta de desalación de agua de mar de gran capacidad. En este caso de estudio, la capacidad será de 1 millón de m3/día, y la optimización a realizar recaerá sobre los bastidores de ósmosis. Para el análisis de la mejor solución, se han simulado distintos modelos en el software Wave de Dupont, con la composición de agua del mar Mediterráneo. Durante las simulaciones, se ha buscado conocer las configuraciones válidas, tanto cualitativa como hidráulicamente, para posteriormente volver a simularlas en el software de Energy Recovery, de recuperadores de presión. Por último, se han comparado opciones comerciales de bombas de alimentación y circulación, y tras la elección de la mejor bomba disponible, se ha realizado un análisis económico tanto en costes energéticos como en costes de inversión para cada caso de estudio. Este comparativo, unido a un posterior análisis con otras membranas de desalación, han hecho posible establecer unos escenarios óptimos. Como conclusión, se puede decir que para diseñar y optimizar un bastidor de ósmosis es fundamental una correcta selección de la membrana, con objeto de alcanzar los parámetros de calidad sin un mayor requerimiento de presión. Igualmente, una adecuada elección de la bomba de alimentación se antoja necesario, ya que ésta aporta la gran parte de los consumos energéticos de la planta. Tabla 11-1 Análisis de costes anuales 71 Tabla 12-1. Datos simulación membrana SW30XLE-440i - 1 73 Tabla 12-2 Datos simulación membrana SW30XLE-440i - 2 74 Tabla 12-3 Capex con membrana SW30XLE-440i 75 Tabla 12-4 Gastos de amortización con membrana SW30XLE-440i 75 Tabla 12-5 Análisis de costes anuales final 75 Tabla 13-1 Características de caso de estudio óptimo 77 xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1 Tecnologías de filtración [1] 1 Figura 1-2 Proceso de ósmosis inversa [3] 2 Figura 1-3 Interpretación física de la presión osmótica 3 Figura 1-4 Digrama de ósmosis inversa [2] 3 Figura 2-1 Diagrama típico de una planta de OI de desalación de agua de mar [5] 7 Figura 2-2 Diagrama de una planta desaladora [6] 7 Figura 2-3 Diagrama de referencia para un pretratamiento en una planta desaladora [7] 8 Figura 2-4 Distribución porcentual de tipos de fouling en membranas de OI [8] 9 Figura 2-5 Comfiguración OI con 3 etapas [9] 10 Figura 2-6 Comfiguración OI con 2 pasos [9] 10 Figura 2-7 Diagrama de flujo OI con turbina Francis [10] 11 Figura 2-8 Diagrama de OI con turbocharger [5] 12 Figura 2-9 Intercambiador de cámara isobárica [5] 13 Figura 2-10 Diagrama de funcionamiento de cámaras isobáricas [11] 13 Figura 2-11 Presiones de trabajo en PX [5] 14 Figura 2-12 Diagrama de flujo DWEER [12] 14 Figura 2-13 Evolución del capacidad instalada/consumo específico en España [13] 15 Figura 2-14 Diagrama de flujo de un sistema CIP [14] 16 Figura 3-1 Selección de tipología de agua de entrada [9] 19 Figura 3-2 Selección de la composición de entrada del agua [9] 20 Figura 3-3 Balance de cargas en WAVE [9] 20 Figura 3-4 Selección de tecnologías de tratamiento [9] 21 Figura 3-5 Configuración de la OI [9] 22 Figura 3-6 Selección de la simulación en WAVE [9] 24 Figura 3-7 Diagrama de flujo Sumary Report 25 Figura 4-1 Agua de entrada en simulador WAVE 28 Figura 4-2 Hoja de datos membrana SW30XHR-440i [16] 30 Figura 4-3 Condiciones de operación SW30XHR-440i [16] 31 Figura 4-4 Precio netro de la electricidad en uso industrial [17] 32 Figura 5-1 Caso 1. Datos de entrada 33 Figura 5-2 Caso 1. Datos de caudal, presión y TDS 33 Figura 5-3 Caso 1. Concentraciones de los solutos 34 Figura 5-4 Caso 8. Simulación en ERI 40 Figura 5-5 Caso 8. Simulación en ERI con 4 bombas en paralelo 41 Figura 5-6 Caso 8. Curva de funcionamiento de la HPP 42 Figura 6-1 Caso 33. Datos de entrada 47 Figura 6-2 Caso 33. Datos de caudal, presión y TDS 47 Figura 6-3 Caso 33. Concentraciones de los solutos 48 Figura 6-4 Caso 31. Simulaciones en ERI 49 Figura 6-5 Caso 31. Curva de funcionamiento de la HPP 50 Figura 6-6 Caso 31. Curva de funcionamiento de la bomba booster 51 Figura 7-1 Caso 53. Curva de funcionamiento de la HPP 56 Figura 8-1 Análisis de coste energético anual 58 Figura 8-2 Análisis de consumo energético por m3 de agua alimentada 59 Figura 9-1 HPP-01. Curvas de operación [18] 61 Figura 9-2 HPP-01. Análisis de coste energético anual 63 Figura 9-3 Consumo energético por m3 de permeado 64 Figura 12-1 SW30XLE-440i. Hoja de propiedades 73 1 1 INTRODUCCIÓN Y ALCANCE n este primer capítulo se introducirá la problemática existente, así como la principal tecnología de estudio que tiene como motivo el desarrollo de este Trabajo Fin de Máster. De este modo, se resumirá en qué consiste la tecnología de ósmosis inversa, sus principales campos de uso, sus granves ventajas, y sus problemáticas y campos de mejora. Finalmente, se hará especial hincapié en la importancia de estudiar modelos que mejoren la eficiencia del sistema, se presentarán las tecnologías disponibles par tal uso, y se expondrá el principal objetivo y alcance trazado para la realización de este proyecto. 1.1 Introducción La escasez de agua es uno de los mayores desafíos a los que se enfrente la humanidad en el siglo XXI. El crecimiento demográfico, unido al cambio climático, y la degradación de los recursos hídricos están aumentando la presión sobre los suministros de agua en todo el mundo. Según Naciones Unidas, más de 2.000 millones de personas viven en países con problemas de acceso al agua potable, y se estima que para 2050 casi la mitad de la población mundial podría enfrentar escasez de agua severa. De este modo, una gestión eficiente de los recursos hídricos, así como el desarrollo de tecnologías avanzadas para la depuración y tratamiento del agua, se han convertido en una necesidad imperiosa. (Aguas naciones unidas) Una de las soluciones tecnológicas más prometedoras para luchar contra la escasez de agua es la desalación del agua de mar, para la cual se utiliza normalmente una tecnología de membranas conocida como ósmosis inversa. La ósmosis inversa es un proceso de filtración que elimina la sal y otros contaminantes, convirtiendo el agua salada en un recurso utilizable para el consumo humano, la agricultura y la industria. Esta tecnología ha mostrado un crecimiento exponencial en los últimos años, aunque a pesar de su potencial, también presenta desventajas e importantes vías de estudio para su mejora, como el elevado consumo energético y los impactos ambientales relacionados con la gestión de salmuera. Figura 1-1 Tecnologías de filtración [1] La ósmosis inversa (OI) es una de las tecnologías más empleadas en el tratamiento de agua, especialmente para la desalación de agua de mar y salobre. Su popularidad se debe a su capacidad de eliminar eficazmente sales, metales pesados, y otros contaminantes del agua, tal y como se puede observar en la Figura 1-1, generando agua potable o de alta calidad para uso industrial y agrícola. La ósmosis inversa es extremadamente eficaz en la eliminación de sales, minerales, bacterias, virus y otros E Introducción y alcance 2 contaminantes disueltos. A través de su membrana semipermeable, retiene partículas de tamaño micrométrico y nanométrico, garantizando una alta calidad del agua producida [2] No obstante, como cualquier tecnología, la ósmosis inversa presenta tanto ventajas como desventajas, que deben evaluarse para determinar su uso y buscar soluciones que potencien el uso de la tecnología. De este modo, el principal reto que se presenta es reducir el alto consumo energético, lo que ha impulsado el desarrollo de estrategias para la recuperación de energía durante el proceso. 1.2 El proceso de ósmosis inversa La ósmosis es un proceso natural que ocurre en los tejidos de plantas y animales. De forma esquemática, se puede decir que cuando dos soluciones con diferentes concentraiones, formadas por un solvente y un soluto, se ponen en contacto a través de una membrana que permite el paso del solvente, pero no del soluto, existe una circulación natural del solvente a través de la membrana desde la solución menos concentrada hacia la de mator concentrada, hasta que ambas se igualan. La diferencia de altura obtenida durante esta transferencia de presión, es conocida como presión osmótica [3] Sin embargo, si se consigue aplicar una presión externa que supere la presión osmótica de una disolición con respecto a la otra, el proceso se puede invertir, haciendo circular el solvene desde la solución más concentrada a la de menor concentración, obteniéndose finalmente un agua de pureza admisible. Figura 1-2 Proceso de ósmosis inversa [3] Esta presión externa que se debe aportar para superar la presión osmótica final del compartimento de agua salada, y por tanto, para poder realizar el proceso de ósmosis inversa, se ve acentuada conforme la diferencia entre salinidades es mayor. De esta forma, la concentración en sales o salinidad media de un agua de mar suele rondar los 30000-40000 ppm de TDS, mientrar que la salinidad del agua potable debe ser inferior a los 300 ppm de TDS, por lo que la presión que debe suministrar la bomba de impulsión puede rondar los 60-70 bar de presión, con el consiguiente gasto energético. La presión osmótica es una propiedad coligtiva de las disoluciones, es decir, debido a la disminución de potencial químico del disolvente en la disolución respecto del disolvente puro, depende únicamente de la concentración de soluto y no de su naturaleza. Su valor puede calcularse por la ley de Van’t Hoff [4] 𝜋 = 𝑀 ∙ 𝑅 ∙ 𝑇 Siendo; π: presión osmótica M: molaridad en mol/l R: constante de los gases ideales ( 0,082 atm L /K mol) T: temperatura en K 3 3 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Físicamente, la presión osmótica sería la presión que hay que ejercer para que no aumente el volumen de la disolución hipertónica al pasar a la disolución hipotónica. En la Figura 1-3 se puede observar este fenómeno. [4] Figura 1-3 Interpretación física de la presión osmótica El resultado del filtrado por ósmosis inversa son 2 flujos de agua. El primero es el agua filtrada (conocido como agua de permeado); el otro es el flujo de agua que transporta los contaminantes concentrados, que no pasaron a través de la membrana de ósmosis inversa, y se conoce como corriente de rechazo (o concentrado). [2] Figura 1-4 Digrama de ósmosis inversa [2] 1.3 Ventajas de la ósmosis inversa  Alta eficiencia en la purificación: La ósmosis inversa puede eliminar hasta el 99% de contaminantes como sales, metales pesados, cloruros, bacterias, virus y otros microorganismos, lo que la hace una de las tecnologías más eficientes para obtener agua pura.  Aplicable en la desalación: Introducción y alcance 4 Es la principal tecnología para convertir agua de mar en agua potable, algo fundamental en regiones donde el acceso al agua dulce es limitado.  Mejor calidad del agua, versatibilidad y escalabilidad El proceso asegura una alta calidad de agua purificada, eliminando tanto contaminantes orgánicos como inorgánicos, lo que la hace ideal para consumo humano y uso industrial. La capacidad de escalar el proceso lo convierte en una solución adaptable a diversas necesidades. En el ámbito doméstico, las unidades de ósmosis inversa son populares debido a su facilidad de instalación y mantenimiento, proporcionando a los hogares una fuente de agua limpia y segura, y con un bajo mantenimiento. Dentro del campo industrial, los procesos de ósmosis inversa son altamente utilizados en industrias farmacéuticas, alimentarias, o electrónicas, como agua de afino de sus procesos internos. Igualmente, esta tecnología de membranas es altamente utilizada para la depuración de aguas industriales. En el campo de la depuración, podemos encontrarnos equipos de ósmosis inversas en plantas de tratamiento de aguas con tratamientos físico-químicos o incluso tratamientos biológicos, siendo denoninado este último tipo de tratamiento como MBR. En todos estos casos, la ósmosis inversa suele ser la última etapa del tratamiento, denominado tratamiento terciario.  Bajo consumo energético en comparación con otros métodos de desalación En comparación con la destilación térmica, la ósmosis inversa consume menos energía para la desalinización de agua, lo que puede reducir costos operativos en ciertas aplicaciones. En instalaciones industriales de gran tamaño, como plantas desalinizadoras, el uso de tecnologías de ósmosis inversa ha permitido reducir el consumo energético mediante la reutilización de la energía del agua de rechazo, que como se verá más adelante, sigue saliendo con una alta presión. Esto ha hecho que el proceso sea más accesible y sostenible desde el punto de vista energético.  Reducción del uso de productos químicos en el tratamiento del agua Si comparamos esta tecnología con otras, como un intercambio iónico, el uso de químicos se reduce drásticamente ya que no se requieren para eliminar sales u otras impuerzas. Es cierto que la ósmosis inversa requiere consumo de químicos, como secuestrantes de cloro, que resulta muy dañino para las membranas, o antiincrustrante, para reducir el fouling o esuciamiento de las mismas. Sin embargo, el consumo de éstos es mínimo en comparación, lo que reduce los costes operativos del proceso de forma signifitcativa. En resumen, la ósmosis inversa presenta múltiples ventajas como método de purificación de agua. Es eficiente y efectiva en la eliminación de contaminantes, en la desalinización, puede reducir considerablemente el consumo de productos químicos y es escalable para diferentes aplicaciones. Además, si se utilizan tecnologías para disminuir el consumo energético, unido a su versatilidad, la convierten en una opción atractiva para industrias, aplicaciones domésticas y la desalinización de agua de mar. Sin embargo, para maximizar estos beneficios, es crucial considerar los costos de operación y el manejo adecuado de los residuos generados por el proceso. 1.4 Desventajas de la ósmosis inversa  Desperdicio de agua La OI puede eliminar hasta el 99% de los contaminentes, como se mencionó anteriormente, aunque por consiguiente produce un rechazo de alta concentración en dichos contaminentes, principalmente sales, que es dificil de gestionar y por supuesto de verter a cualquier medio. La conversión del proceso de OI – porcentaje de extracción del permeado respecto a la alimentación -, o recovey, en el caso de agua salobre suele estar entre el 70-75% en sistemas de un único paso sin recirculación, o lo que es lo mismo, de cada 1 m3 de agua a tratar, se rechaza de media 0,25 m3 de agua con alta concentración en sales y contaminantes. Normalmente, en plantas de aguas salobres se alcanta 5 5 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa el 85-90%, optimizando la configuración de la planta. La ocnversión en plantas de desalación de agua de mar es de alrededor del 45%. Actualmente, existen medios o tecnologías disponibles que son usadas para reducir el volumen de concentrado más allá de los porcentajes de conversión habituales, principalmente en industrias. Para determinar que método utilizar, resulta importante valorar previamente los costes operativos del volumen de rechazo a gestionar, normalmente externamente, frente a los costes operacionales para implementar la tecnología. Algunas de estas tecnologías pueden ser: o Varias etapas de OI: la segunda etapa de una OI es cuando se instala un segundo bastidor de ósmosis que trata el rechazo de la primera etapa. Normalmente, de esta segunda o tercera etapa se obtienen calidades de permeado algo peores, aunque igualmente aprovechables en diversas funciones, y conversiones también inferiores. En las etapas consecutivas, se puede utilizar una bomba booster que aprovecha la presión del rechazo del primero y la eleva hasta llegar un valor adecuado según valor de la nueva presión osmótica. Como se expuso anteriormente, esta nueva presión osmótica será mayor que la del primer bastidor de membranas de ósmosis inversa, debido a que la concentración en sales de la corriente de entrada es mucho mayor. Por consiguiente, se consigue reducir el volumen de rechazo, aunque, por el contrario, se obtiene un caudal aún más concentrado y se necesita un nuevo aporte energético por el uso de la bomba booster. o Tecnologías de evaporación: las tecnologías de evaporación también son altamente utilizadas a nivel industrial dentro de los proyectos denominados como vertido cero o ZLD. Existen diversos tipos de evaporadores en función de la tipología de corriente de entrada o el caudal a tratar. De ellos, se obtiene un residuo libre de agua de fácil gestión. La gran problemática de esta tecnología es la gran aportación en costes de capital (CAPEX) que hay que relizar, ya que se tratan de equipos con un alto coste económico, y la gran cantidad de aporte energético que requieren.  Costos de mantenimiento y operación Un equipo de ósmosis inversa suele tener unos costos considerables en mantenimiento y operación. Comenzando por las membranas, éstas requieren un mantenimiento regular, limpieza, y reemplazo. En el caso del sistema de enjuague y limpieza, se necesita uso de químicos, tanto de carácter ácido como básico, para acometarla.  Pretratamiento Otra de las principales desventajas, es la necesaria instalación de un sistema de pretratamiento previo a la OI. El pretratamiento dependerá de la tipología del agua de entrada, y su principal motivo es eliminar partículas de mayor tamaño o algunos compuestos que puedan dañar las membramas y por tanto reducir su tiempo de vida útil o su rendimiento. El pretratamiento suele cosntar en una filtración previa, una microfiltración o ultrafiltración, y una dosificación química para eliminar fundamentalmente trazas de cloro libre, y minimizar la posibilidad de fouling o ensuciamiento de las membranas, así como las incrustaciones de sales debidas a precipitación.  Elevado consumo energético Aunque anteriormente se expuso que la OI consume menos energía que otras tecnologías disponibles, como la destilación, en aplicaciones industriales a gran escala o sobre todo en procesos de desalación, donde la presión osmótica a superar es elevada, el consumo energético es bastante alto. Este consumo energético se intenta paliar con métodos de recuperación de energía como los recuperadores de presión o los turbochargers, los cuales se expondrán más adelante.  Impacto ambiental de los desechos La salmuera generada por los procesos de OI o desalación son altamente perjudiciales para el medio ambiente debido a su alta concentración en sales y contaminantes. La gestión de este residuo se antoja Introducción y alcance 6 fundamental para que la tecnología de OI sea considerada como un proceso adecuado para cuidar el ecosistema. En definitica, la OI presenta una serie de desventajas que pueden no se pueden eliminar al completo, aunque si se pueden amortiguar. En este sentido, el principal desafío es proponer, estudiar, e implementar tecnologías de recuperación de energía, y de gestión de residuos o disminución de los vertidos. 1.5 Objetivos y alcance del trabajo El principal objetivo del presente proyecto es diseñar una planta de ósmosis inversa de alta capacidad, con la principal motivación de estudiar las distintas soluciones existentes y encontrar los casos de estudio que resulten óptimos tras un análisis de costes. El alcance del proyecto será una desaladora de 1 millón de metros cúbicos día de agua producida, siendo los límites de batería del estudio los bastidores de ósmosis. Queda fuera del alcance por tanto todos los equipos de captación o pretratamiento. 7 7 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa 2 P LANTA DE ÓSMOSIS INVERSA En el siguiente capítulo se van a exponer los distintos equipos que componen, a nivel general, una planta de ósmosis inversa. Figura 2-1 Diagrama típico de una planta de OI de desalación de agua de mar [5] En la Figura 2-2Figura 2-1 se puede observar un segundo diagrama de menos frecuente en una planta de ósmosis inversa. La selección de equipos dependerá mayoritariamente del tamaño de la planta, el caudal a tratar, así como el diseño del bastidor de membranas dependerá de las características del agua de entrada y objetivo de agua tratada. Figura 2-2 Diagrama de una planta desaladora [6] En primer lugar, en cualquier planta de OI se encuentra un depósito de almacenamiento o balsa, desde el cual se almacena al agua que será tratada durante el proceso. Desde este almacenamiento, una bomba de impulsión con un lazo de control con el nivel del propio depósito de almacenamiento, impulsará el agua bruta hasta un proceso de pretratamiento. El pretratamiento de una planta de OI puede ser diverso, y dependerá en gran medida de la calidad de agua de entrada y la cantidad de sólidos en suspensión, o incluso la actividad biológica o biodegradabilidad del vertido. Este trabajo se centrará en el pretratamiento típico de una planta de desalación de agua de mar. 2.1. Pretratamiento En primer lugar, el agua es captada por tuberías situadas bajo el nivel del mar en el caso de toma abierta y pasa Planta de ósmosis inversa 14 Figura 2-11 Presiones de trabajo en PX [5]  Cámaras de intercambio de presión por desplazamiento El principio fundamental de esta tecnología es la tansferencia de energía, en forma de presión, mediante el uso de pistones. De esta forma, la energía hidráulica no debe transformase en enegía de rotación, como en el caso de los intercambiadores PX. El equipo más utilizado dentro de esta familia es el DWEER por sus siglas en inglés, o Calder Dual Work Exchange Energy Recovery System. El diseño del equipo se basa fundamentalmente en dos tubos o recipientes de presión, donde se integran los pistones, válvulas de seguridas, y una válvula de control. El agua a presión entra, a través de la válvula de control, en el primer recipiente y empuja el pistón. Previamente, ese recipiente está lleno con agua a baja presión, por lo que el desplazamiento del pistón hace que el agua se comprima y abandone la carcasa por la válvula de seguridad. Paralelamente, en el segundo recipiente, se introduce agua a baja presión que desplaza el pistón y por tanto, desplaza el agua de rechazo que se encuentra a baja presión en ese recipiente tras haber cedido su energía previamente. Una vez se completa el ciclo, el segundo recipiente está lleno de agua a tratar con baja presión, por lo que se repite el ciclo anterior pero intercambiando los recipientes. Un ciclo completo tiene una duración estimada de 12 segundos, lo que conlleva que un único módulo pueda procesar hasta 350 m3/h. Para mayores caudales, se pueden disponer de varios módulos en paralelo. [12] Figura 2-12 Diagrama de flujo DWEER [12] Tanto esta tecnología, como el intercambiador tipo PX, son las más eficientes en el mercado, alcanzando valores en ambos casos del 98%. En ambos casos, el caudal de agua a baja presión disponible debe ser parecido al caudal de rechazo, y además, la presión resultante es menor que la presión de entrada a la OI, por lo que es necesario la instalación de una bomba booster para proporcionar ese último salto de presión. El consumo energético medio para una planta de desalación de agua de mar asciende a los 3 kWh/m3, mientras que en las primeras plantas, este consumo ascendía a los 50 kWh/m3. De esta forma, y gracias a los avances 15 15 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa tecnológicos en las bombas, en las membranas y por supuesto, gracias a los sistemas de recuperación de energía, el consumo energético ha descendido en un 94%. [13] El principal reto tecnológico a día de hoy es conseguir rebajar estos índices en las próximas décadas, aunque se antoja una empresa complicada, aunque se sigue innovando continuamente con nuevos procesos y equipos que permitan avanzar en este propósito. Figura 2-13 Evolución del capacidad instalada/consumo específico en España [13] 2.4 Sistema CIP/Flushing 2.4.1 CIP Para finalizar, otro de los elementos fundamentales en una planta de OI es su sistema de limpieza, o sistema CIP. La limpieza química es un proceso normal de la operación de una planta de ósmosis inversa. El principal objetivo de ésta, es remover de las membranas elementos que están incrustrados en ellas y que afectan al rendimiento del sistema. Estos elementos pueden ser de divera índole, pero generalmente son: (Luis jose talavera)  Cabonatos  Sulfatos  Óxidos metálicos  Materia orgánica  Materia biológica  Sílice Durante la operación de una OI, con el paso del tiempo, sobre la superficie de las membranas se presenta una acumulación gradual de todo tipo de sustancias presentes en el agua de alimentación. Este fenómeno de formación de películas sobre la membrana es conocido como “fouling”. Si el ensuciamiento es severo puede generar daños irreparables en las membranas y hacer más difícil las limpiezas. Existen diversos parámetros que nos indican que las membranas de ósmosis necesitan ser limpiadas. Generalmente, estos son: Planta de ósmosis inversa 16  Perdida de calidad en permeado en un 15% aproximádamente. Se suele medir por su conductividad  Incremento del dP inter-etapa en un 15% aproximádamente. Esto conlleva un incremento en la presión de impulsión de la bomba de alta.  Pérdida de caudal de permeado en un 15% aproximadamente. Los procesos de limpieza CIP suelen ser necesarios cada 4-6 meses de funcionamiento, siendo otro motivo de advertencia que la periocidad sea menor. Las limpiezas suelen ser ácidas y alcalinas, para de esta forma atacar a todos los posibles componentes que se requieren retirar, y se hacen en circuito cerrado etapa a etapa. Las instalaciones de una planta de OI deben disponer de un tanque CIP, que está previamente lleno de agua de alta calidad o agua osmotizada del propio proceso. Sobre ese depósito, se dosifican los químicos que se van a utilizar en primer lugar en la limpieza, mientras se homogeniza la mezcla mediante el uso de un agitador, y se atempera gracias a una resistencia que se encuentra en el depósito. Una vez la disolución está al pH y a la temperatura previamente marcadas, comienza la limpieza de la primera etapa. Para la limpieza de una etapa de OI, una bomba que aspira sobre el depósito CIP impulsa la disolución a una presión bastante menor que la presión osmótica. Un juego de válvulas automáticas permite que el fluido de limpieza entre en la primera etapa y que, al salir de ésta, en vez de entrar en la segunda etapa, se recircule hasta el propio depósito CIP, formándose así un circuito cerrado. Una vez se finalice el tiempo estupulado para ese cliclo de limpieza, el agua del depósito se desecha, se vuelve a llenar y se realiza un segundo ciclo de limpiza sobre la siguiente etapa. Para remover la materia orgánica, se suele realizar un CIP ácido, con la presencia de ácido clorhídrico o ácido cítrico fundamentalmente. En contraposición, para eliminar la suciedad inorgánica, se suele proceder con una limpieza alcalina con sosa o detergentes. Debido a que normalmente el ensuciamiento se debe a una mezcla de materia orgánica e inorgánica, es preciso realizar secuencias de lavado ácido y básico, en ese orden o viceversa, en función de lo que resulte más eficiente para la correcta recuperación del sistema. [14] Figura 2-14 Diagrama de flujo de un sistema CIP [14] 17 17 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Uno de los puntos fundamentales a tener en cuenta es el caudal de limpieza para conseguir un flujo turbulento durante el paso por las membranas. 2.4.2 Flushing El flushing o enjuague consiste en un desplazamiento del agua de vertido que contienen en su interior los tubos de presión y por tanto las membranas. Este proceso se peoduce de forma esporádica por una parada del proceso de ósmosis, o de forma cíclica si así está definido en la programación. Normalmente, para realizar el flushing se utiliza agua de alta calidad o el propio producto de la ósmosis, y el sistema que se emplea es el mismo que en el CIP. De este modo, el agua de alta calidad se almacena en el depósito CIP, y automáticamrnte cuando el proceso de ósmosis para ante cualquier motivo, la bomba de CIP/Flushing introduce el fluido del depósito en todo el sistema, evitando de esta manera que el vertido de mala calidad se quede parado dentro de las membranas y produzca incrustraciones o ataques a éstas. 19 3 I NTRODUCCIÓN AL SOFTWARE WAVE El software de simulación WAVE (Water Application Value Engine), propiedad de la empresa Dupont, es un programa que integra tres de las tecnologías más usadas a nivel industrial en el tratamiento de aguas, como son la ultrafiltración, la ósmosis inversa, y la desmineralización por resinas de intercambio iónico. El software se utiliza para simular las condiciones de funcionamiento de dichas tecnologías, y obtener por tanto resultados que sirven para valorar y diseñar una planta de tratamiento de aguas. El programa consta de varias ventanas, donde se van definiendo los parámetros de entrada principales, como:  Información del proyecto  Unidades de medida  Caudales de entrada o caudal de agua tratada final  Definición de la corriente de entrada  Selección de tecnologías  Selección de divisa para cálculo de costos  Selección de costes operacionales  Eficiencia de las bombas  Ajuste de pH Con estos datos de entrada, aunque no es indispensable especificarlos todos, el programa está listo para poder comenzar con la simulación del proceso con la tecnología seleccionada. Por ejemplo, si no se introducen unos costes de operación para los químicos, o de electricidad, el programa establecerá unos por defecto. Sin embargo, es fundamental rellenar la composición al completo del agua de entrada antes de comenzar la simulación. 3.1 Definición de la corriente de entrada La definición de la corriente de entrada es totalmente independiente de la tecnología de tratamiento que se va a utilizar. En primer lugar, es necesario definir la proveniencia de esta corriente, y posteriormente el subtipo de agua. Figura 3-1 Selección de tipología de agua de entrada [9] A posteriori, es necesario introducir la composición química del agua. Para ello, se puede hacer uso de librerías que tiene almacenadas el propio programa, como agua del río Guadalquivir o agua de mar estándar, o bien se puede introducir la composición del agua de entrada si se dispone de una analítica completa. Introducción al software wave 20 En la tabla donde se introducen las concentraciones de iones aparecen, por defecto, los compuestos más comunes presentes en el agua. Una vez introducidos, se podrá rellenar otros parámetros como pH, TSS, turbidez o temperatura. Conforme se van agregando compuestos, el programa te muestra de forma simultánea el dato de conductividad, TDS y el balance de cargas. Figura 3-2 Selección de la composición de entrada del agua [9] Si la composición está desbalanceada, para que el programa valide la analítica, es necesario realizar un balanceo de cargas. Las cargas se pueden balancear de forma manual, modificando concentraciones en algunos compuestos, o de forma automática mediante ajuste de cationes, aniones, todos los iones, ajuste de carbonatos, o ajuste de pH. Figura 3-3 Balance de cargas en WAVE [9] Otra de las opciones que te ofrece el programa es la de definir otras corrientes por si hay mezclas en la entrada. Una vez definida, se puede ajustar la proporción en la que las corrientes se mezclan antes de ser tratadas. 21 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa 3.2 Definición de las tecnologías de tratamiento Antes de proceder con la simulación, es necesario introducir en la página principal las tecnologías de tratamiento que se van a utilizar, así como los caudales de entrada o el caudal objetivo de permedado. En la página principal, en la parte derecha de la pantalla, se encuentran todas las tecnologías disponibles de simulación. Basta con arrastrar una de ellas y situarla entre la corriente de “feed water” y la de “product water”. Una vez arrastrada, se abrirá una nueva pestaña donde se puede empezar a introducir datos para la posterior simulación de dicha tecnología. Además, se pueden seleccionar varias tecnologías en serie. De este modo, se van introduciendo valores para cada caso y la salida de agua tratada del primer tratamiento será la entrada para simular el segundo. En la Figura 3-4 se puede observar como se disponen en línea una ultrafiltración, una ósmosis inversa, y una desmineralización con lechos mixtos. Este proceso es altamente utilizado en la industria en proyectos MLD, para el tratamiento de los vertidos industriales y posterior reutilización como agua de proceso. Figura 3-4 Selección de tecnologías de tratamiento [9] En este trabajo se hará hincapié en la simulación de una OI o RO por sus siglas en inglés. 3.3 Configuración de la ósmosis inversa En la pestaña de la ósmosis inversa es posible configurar al completo todo el tratamiento. En esta página, de forma bastante intuitiva, se puede seleccionar:  Nº de etapas de la OI  Nº de pasos de la OI  Tubos de presión (PV) por etapa  Nº de elementos por PV  Modelo de cada elemento o mebrana  Recovery  Caudal de by-pass  Caudal de recirculación  Flow factor Introducción al software wave 22  Temperatura de diseño En primer lugar, es importante definir la configuración inicial de la OI. Si se requiere un permeado muy bajo en cuanto a conductividad y concentración de sales, lo más indicado es hacer una ósmosis en dos pasos, donde el permeado de la primera ósmosis fuese el agua de entrada de una segunda ósmosis. Si, por el contrario, el objetivo es tratar el mayor caudal de agua posible y conseguir por tanto recoverys altos, la mejor solución es apostar por una ósmosis con 2-3 etapas, donde el caudal de concentrado de la etapa anterior se introduce en la siguiente. Otra solución es recircular parte del caudal de rechazo a cabecera, para que vuelva a entrar en la etapa de tratamiento. (wave) Desde la página principal de la configuración de la OI en WAVE, se pueden definir todos estos aspectos, tal y como se muestra en la Figura 3-5 Figura 3-5 Configuración de la OI [9] Dentro de cada etapa, es posible definir el número de PV y el número de membranas a introducir en cada PV. Normalmente, el número total de membranas por etapa suele ir decreciendo, ya que el caudal que le llega a la etapa posterior es siempre menor al caudal de entrada de la etapa anterior. Para definir el nº de membranas necesarias, es importante saber el modelo de membrana que se va a utilizar. En WAVE, hay disponible una tabla de especificaciones de membranas que te permiten seleccionar la mejor opción disponible, así como conocer sus datos operacionales. En ella, se pueden conocer datos como caudal de permeado máximo por membrana, caudal de concentrado mínimo por membrana, caudal máximo de entrada, o recovery por membrana. Con esta información, unido a los datos del proceso, es posible diseñar una primera configuración previa. [15] 23 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Tabla 3-1 Guía de diseño para membranas de 8” de FilmTec™ [15] Por último, una vez seleccionada la configuración y las membranas, se pueden especificar otros aspectos como la temperatura de entrada. La temperatura es un aspecto fundamental para la simulación del sistema. De hecho, en diseño de ósmosis, siempre se utiliza una temperatura de diseño mínima, de 10ºC aproximadamente, para conocer la presión máxima que debe dar la bomba de alta. Del mismo modo, se utiliza una temperatura de diseño máxima, de 40ºC, para conocer la calidad del permeado más desfavorable. Del mismo modo, se pueden establecer valores para conocer cómo se va a comportar el sistema con el tiempo. Un flow factor de 0,95 – 1, significa que la membrana está nueva, mientras que un flow factor de 0,75-0,8, simula una membrana con unos 3 años de vida. Para el correcto dimensionamiento de la planta, es importante simular cada opción para posteriormente diseñar con los valores más desfavorables que puede ofrecer el sistema a lo largo de su vida útil. Presentación del caso práctico 30 Este parámetro determina el número de membrana que se introduce dentro del tubo de presión o pressure vessel. Cada tipo de PV tiene una capacidad para un número determinado de membranas. Los PV correspondientes a agua de mar suelen ser para 7 u 8 membranas de 8 pulgadas de diámetro. Tipo de membrana En este apartado se selecciona la tipología de membrana con la que se va a realizar la simulación. WAVE te ofrece en su software todo el catálogo de membranas que ofrece el grupo Dupont. Para el caso de “seawater” con tratamiento convencional previo y SDI < 5 se recomienda poner membranas del tipo SW, con área activa comprendida entre 270 y 440 ft2. Ver Tabla 3-1 En este caso, y siguiendo la guía de selección de membranas de Dupont para membranas de 8”, se ha seleccionado la membrana SW30XHR-440i. A continuación, en la Figura 4-2 Hoja de datos membrana SW30XHR-440i , y en la Figura 4-3 se pueden observar las ropiedades técnicas y morfológicas de la membrana seleccionada, y sus condiciones operativas respectivamente. Figura 4-2 Hoja de datos membrana SW30XHR-440i [16] Las condiciones recomendadas de operación del elemento seleccionado serán: 31 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Figura 4-3 Condiciones de operación SW30XHR-440i [16] Flow factor El flow factor es un indicador correctivo que hace referencia al rendimiento de la membrana por su tiempo de vida. Las membranas de ósmosis tienen un tiempo de vida útil limitado ya que sus rendimientos se van empeorando a lo largo del tiempo con el uso. De este modo, en la simulación se utilizará como dato de entrada un flow factor de 0,85, que simula un tiempo de vida de membrana de unos 3 años, y por lo tanto ofrece valores a la salida más desfavorables. Temperatura de entrada La temperatura de entrada del agua en las membranas de ósmosis es un valor muy a tener en cuenta en la simulación y diseño de una planta desaladora. Una temperatura de entrada alta hace que el permeado sea de menor calidad, mientras que el consumpo energético disminuye porque se requiere una presión de entrada más baja. Por el contrario, cuanto menor sea la temperatura de entrada mejor será la calidad del permeado pero mayor será el consumo energético por la presión que debe suministrar la bomba de alta. Por tanto, para un correcto dimensionamiento es fundamental tener en cuenta la temperatura mínima de entrada en el diseño de la bomba, y la temperatura máxima para saber si la solución simulada cumple con las condiciones de calidad establecidas. En el caso de agua del mar Mediterráneo, las temperaturas mínima, de diseño, y máxima serán 18,22, y 28 ºC respectivamente. Recirculación y by-pass Estas funciones durante la simulación de la planta desaladora estarán deshabilitadas, ya que son funciones que buscan una mejor recovery o que se implantan cuando la calidad del agua de salida es mucho mejor a los parámetros estipulados, por lo que se puede mezclar con el permeado una parte del agua bruta sin la necesidad de que sea tratada. 4.4 Coste energético Tras revisar varias referencias disponibles, se puede afirmar que con la tecnología actual el coste medio de la producción de agua desalada oscila entre 0,5-1 €/m3. (iagua). Además, según fuentes del Ministerio de Industria y Turismo del Gobierno de España, el precio neto de la electricidad para uso industrial en España se situa en torno a 0,12 €/kWh en 2023. Viendo la serie de la Figura 4-4 y entendiendo que al ser una planta de alta capacidad se puede negociar un descuento en el precio del kWh, se estima para el proyecto que el coste energético de la planta desaladora se situará en 0,7 € kWh. Simulación con recovery al 50% 32 Figura 4-4 Precio netro de la electricidad en uso industrial [17] 5 S IMULACIÓN CON RECOVERY AL 50% 5.1 Caso inicial La primera simulación que se va a realizar será con un porcentaje de obtención de permeado o recovery del 50%, por lo que el caudal de entrada a la planta será de 2000000 m3/día. Para afinar un poco la primera simulación, se hace un primer cálculo que te permite determinar un número de membranas apróximado. Para ello se establece un flux de 15 LMH. De este modo, y conociendo que el área activa de la membrana es de 41 m2, ver Figura 4-2, y que el caudal de permeado total es de 41667 m3/h, se puede calcular el nº total de membranas que harán falta para obtener dicho flux. 𝑛 ∗ 𝐹𝑙𝑢𝑥 = 𝑄 ∗ 1000 𝐴 𝑛 = 𝑄 ∗ 1000 𝐹𝑙𝑢𝑥 ∗ 𝐴 𝑛 = 41677 ∗ 1000 15 ∗ 41 = 67767,5 Siendo; n: número de membranas A: Área total de membrana en m2 Q: Caudal de permeado en m3/h De este modo, el número total de membranas que son necesarias para cumplir con dicho flux es de 67768. Se define que los tubos de presión tengan una capacidad de 8 membranas, por lo que son necesarios 8471 tubos de presión. 33 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Metiendo estos datos en el simulador WAVE, con una temperatura de diseño máxima de 28 ºC, se obtiene una primera simulación que no presenta errores y que cumple con los parámetros establecidos de agua desalada, por lo que se considera un buen primer punto de partida para comenzar con la iteración. A esta simulación se le nombrará como Caso 1. A continuación, se muestran una serie de figuras donde se pueden ver los datos de entrada, las presiones de todas las corrientes, y la calidad del agua desalada del Caso 1. Figura 5-1 Caso 1. Datos de entrada Figura 5-2 Caso 1. Datos de caudal, presión y TDS Simulación con recovery al 50% 34 Figura 5-3 Caso 1. Concentraciones de los solutos A partir de este punto, se empezarán a buscar otras configuraciones válidas para la posterior comparación entre ellas a nivel económico. Cabe resaltar que, para soluciones de alta capacidad como el caso de estudio del presente proyecto, se suele dividir el caudal de entrada entre un número determinado de bastidores, ya que no existe una solución en el mercado que impulse un caudal tan alto de agua, siendo la única solución factible instalar una serie de bombas trabajando en paralelo. Del mismo modo, no resulta posible instalar un bastidor que contenga un número tan alto de tubos de presión, tanto por restricciones mecánicas como del propio espacio disponible. Así pues, en los consecutivos casos de estudio se dividirá el caudal entre un número por determinar de bastidores, de forma que resulte viable encontrar soluciones de equipos reales en el mercado. 35 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa 5.2 Casos simulados con 40 bastidores Tabla 5-1 Datos de entrada. 40 bastidores 50% recovery Caudal de entrada 2084 m3/h Nº de pasos 1 Nº de etapas 1 Recovery 50% Flow factor 0,85 Nº de pressure vessels Por determinar Nº elementos en cada PV 8 Tipo de elemento SW30XHR-440i Temperatura Por determinar Recirculación 0 m3/h By-pass 0 m3/h Se buscarán las configuraciones que cumplan con los criterios preestablecidos para el agua desalada, y con el cáculo del software de simulación sin advertencias. Dentro de los numerosos tipos de advertencias o errores que puede mostrar el simulador, se presentan en la Tabla 5-2, los errores más comunes. Tabla 5-2 Advertencias más comunes de simulación Tipo de Warning Descripción 1 Caudal de permeado por membrana superior a su límite máximo de diseño 2 Recovery de la membrana superior a su límite máximo de diseño 3 Caudal de concentrado de membrana inferior a su límite máximo de diseño 4 Presión de entrada a la membrana superior al límite máximo de diseño 5 Alta diferencia de presión interetapa. Las variables no fijadas de la simulación son el número de tubos de presión y la temperatura de entrada. Modificando ambas variables, y con los datos de entrada presentados anteriormente, se mostrarán todos los casos estudiados, sus resultados, y los casos que resultan seleccionados como válidos para un posterior estudio de costes energéticos y de instalación. A continuación, se presentan los datos obtenidos: 37 Tabla 5-3 Datos obtenidos. 40 bastidores 50% recovery. 39 En la Tabla 5-3, los valores en amarillo son aquellos que se modifican con relación al caso práctico anterior, mientras que los valores en rojo son aquellos que han dado algún tipo de advertencia durante la simulación. Como se extrae de la tabla, el caso 2 queda descartado por “warning” tipo 4: presión de entrada en la membrana superior al límite máximo de diseño. Ver Tabla 5-4. Tabla 5-4 Caso 2. Tabla de warnings Debido a que el caso 2 ha mostrado una advertencia, quedan descartadas todas las configuraciones con 180 pressure vessels, es decir, los casos 3 y 4. Del mismo modo, el caso 21 ha dado un error en simulación por alto recovery en membrana. Esto hace que se eliminen del posterior comparativo las configuraciones con un 50% de recovey y 260 pressure vessels. Tabla 5-5 Caso 21. Tabla de warnings En cuanto al resto de casos simulados, todos han obtenido unos valores favorables en relación a los criterios establecidos por WAVE, por lo que las configuraciones con un recovery del 50% y un número de tubos de presión comprendidos entre 190 y 250 tubos de presión, serán estudiados para el posterior estudio económico. Del mismo modo, todas las configuraciones simuladas han obtenido valores de calidad óptimos, ya que el TDS no supera en ningún caso los 500 ppm y los cloruros los 200 ppm, aunque los valores van empeorando conforme el número de membranas es superior y la temperatura aumenta. Como se puede observar, cuanto mayor es el número de membranas instaladas en el bastidor, menor es el flux general de la planta y menor es la presión que debe suministrar la bomba de alta a la entrada. Se considera, por tanto, que la configuración de 250 PV es la mejor energéticamente hablando, ya que la bomba de alta debe suministrar 69,2 bar en el caso de mínima temperatura, frente a los 82,3 bar que debería suministrar la misma bomba en el caso de 190 PV a mínima temperatura. Sin embargo, el caso de 190 PV será el que tenga un menor importe económico en CAPEX, ya que requiere una inversión menor en tubos de presión, membranas e instrumentación. En capítulos posteriores se hará un análisis completo tanto en CAPEX como en OPEX para determinar la configuración más rentable en un horizonte de 3 años. 5.3 Coste energético En el presente capítulo se van a simular las configuraciones anteriormente validadas en el software ERI. En dicho software se introducen las condiciones de operación de cada configuración para los casos de menor temperatura, es decir, para los casos donde la bomba de alte presión debe suminitrar una mayor presión. Por ejemplo, para la configuración de 200 tubos de presión, se introducirá en la simulación los datos operacionales del caso 8, de temperatura de entrada de 14 ºC, donde la presión de impulsión es de 80,2 bar. 46 En la Tabla 6-2Tabla 5-3, los valores en amarillo son aquellos que se modifican con relación al caso de estudio anterior, mientras que los valores en rojo son aquellos que han dado algún tipo de advertencia durante la simulación. El caso 40 queda descartado de la serie ya que durante la simulación en WAVE ha obtenido una advertencia por bajo valor de concentrado en la membrana 8 en cada uno de los tubos de presión. Tabla 6-3 Caso 40. Tabla de warnings En cuanto al resto de casos simulados, todos han obtenido unos valores favorables en relación a los criterios establecidos por WAVE, por lo que las configuraciones con un recovery del 45% y un número de tubos de presión comprendidos entre 200 y 320 tubos de presión, serán evaluados para el posterior estudio económico. Todas las configuraciones simuladas han obtenido valores de calidad óptimos, ya que los TDS no superan en ningún caso los 500 ppm y los cloruros los 200 ppm. Las conclusiones que se sacan son las mismas que en el caso anterior, siendo la posterior comparación de consumo energético y CAPEX la que determinará el caso más favorable. Comparando las presiones de entrada requeridas en bastidores con recovery al 50% y al 45%, se observa rápidamente que para las simulaciones del 45% hay casos validados con presiones de entrada que rondan los 60 bar, mientras que en las simulaciones del 50% de recovery, el caso más favorable de presión de entrada se situaba en torno a los 68 bar. Esta disminución de presión requerida conllevará un menor consumo energético de la planta, aunque, por el contrario, se necesitan un mayor número de bastidores y equipos para conseguir la misma capacidad de diseño. Se muestran en las siguientes figuras los resulrados obtenidos en el caso 33: 47 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Figura 6-1 Caso 33. Datos de entrada Figura 6-2 Caso 33. Datos de caudal, presión y TDS Simulación con recovery al 45% 48 Figura 6-3 Caso 33. Concentraciones de los solutos 6.2 Coste energético En el presente capítulo se van a simular las configuraciones anteriormente validadas en el software ERI, y como ejemplo se mostrará la energía requerida para un bastidor con 280 tubos de presión. De nuevo, dentro de las 3 simulaciones realizadas para dicha configuración de bastidor, se selecciona el caso de menor temperatura, caso 31, ya que es el que requiere una presión de entrada mayor. Tabla 6-4 Datos a introducir en ERI para configuración de 280 PV CASO 31 32 33 Nº Bastidores 44 44 44 Q alimentación (m3/h) 2084 2084 2084 Nº etapas 1 1 1 Nº PV 280 280 280 Tipo membrana SW30XHR- 440i SW30XHR- 440i SW30XHR- 440i Nº elementos 8 8 8 49 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Total membranas 2240 2240 2240 FF 0,85 0,85 0,85 T min (ºC) 14 22 28 Recovery (%) 45,00% 45,00% 45,00% P ent (bar) 63,3 60,8 59,9 P concentrado (bar) 61,7 59,3 58,6 Tipo de warning NO NO NO Flux (LMH) 10,2 10,2 10,2 TDS (ppm) 107 171 238 Cloruro (ppm) 64 102 142 Los datos del Caso 31 se introducen en el simulador, teniendo en cuenta, al igual que se hizo en el Capítulo 5.3, que el caudal en el simulador ERI se divide entre cuatro, por lo que habrá 4 bombas de alta presión y otras 4 booster trabajando en paralelo. Figura 6-4 Caso 31. Simulaciones en ERI De esta simulación se obtienen los siguientes resultados: Caso 31 Datos simulación Caudal HPP 946,8 m3/h (236,7 x 4) Presión HPP 63,3 bar Caudal booster 1136,8 m3/h (284,2 x 4) Presión booster 2,02 bar Tipo de intercambiador de presión PX-Q400 (ERI) Nº de módulos de intercambio de presión 16 Para la bomba de alta presión, el modelo más eficiente que el simulador ERI selecciona de su catálogo es la Simulación con recovery al 45% 50 Aquabold 4x6x9-B de 13 etapas, fabricada en acero inoxidable super dúplex 2205, con una eficiencia de 82,94%, y una eficiencia de motor y variador de frecuencia de 93,77% y 97% respectivamente. El consumo eléctrico por unidad es de 534,26 kW, por lo que para las 4 unidades el consumo asciende a 2137,04 kW. A continuación, se muestra la Figura 6-5 con las curvas de la bomba. Figura 6-5 Caso 31. Curva de funcionamiento de la HPP En el caso de la bomba booster, el simulador ha seleccionado una bomba de circulación modelo VPXP 150x200 de una etapa. Su curva de funcionamiento se muestra en la Figura 6-6. 51 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Figura 6-6 Caso 31. Curva de funcionamiento de la bomba booster A continuación, se realiza el cálculo del coste energético total de la desaladora para el Caso 31: 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 = (𝑃𝑜𝑡. 𝐻𝑃𝑃 + 𝑃𝑜𝑡.𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡𝑒𝑟)∗ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑í𝑎 ∗ 𝑑í𝑎𝑠 𝑓𝑢𝑛𝑐.∗ 𝑐𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑘𝑊 ℎ∗ 𝑛º 𝑏𝑎𝑠𝑡. Siendo: Pot HPP: Potencia de la bomba de alta presión, en kW Pot. Booster: Potencia de la bomba de recirculación, en kW Horas/día: 24 horas Días func.: días de funcionamiento de la desaladora al año, se toman 360 días Coste kW/h: coste energético Nº bast: número de bastidores Para el caso 31, el coste energético sería: 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑐𝑎𝑠𝑜 31 = (2137,04 + 84,44)∗ 24 ∗ 360 ∗ 0,00113 ∗ 44 = 954305,16 € En resumen, los costes energéticos de los casos de mínima temperatura validados para un recovery del 45% y una producción de 1 millón de metros cúbicos al día es el siguiente: Tabla 6-5 Coste energético. Recovery 45% CASO 22 25 28 31 34 37 Simulación con recovery al 45% 52 Potencia HPP (kW) 2461,84 2271,88 2198,8 2139,8 2094,68 2053,28 Potencia Booster (kW) 120,44 96,32 92,28 92,28 92,28 76,88 Coste energético (€) 69.389.481,77 € 63.636.852,21 € 61.564.529,75 € 59.979.117,08 € 58.766.679,46 € 57.240.383,88 € Coste por metro cúbico (kWh/m3) 2,75 2,53 2,44 2,38 2,33 2,27 53 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa 7 SIMULACIÓN CON RECOVERY AL 40% En relación a la tendencia de disminución de coste energético entre las simulaciones realizadas para un recovery del 45% frente a las del 50%, se decide realizar simulaciones al 40% de recovery para su posterior comparación económica. Los casos del capítulo se presentarán del mismo modo al que se llevó a cabo en el capítulo 5 y 6 del presente trabajo. De nuevo, el caudal establecido de alimentación a cada bastidor será de 2084 m3/h, por lo que el permeado que se obtiene por bastidor asciende a 833,6 m3/h. Por tanto, para obtener un caudal de 1 millón de metros cúbicos al día, se requieren 50 bastidores. 7.1 Casos simulados con 50 bastidores Se presenta en la Tabla 7-1 los datos de entrada en el simulador WAVE. Tabla 7-1 Datos de entrada. 50 bastidores, 40% recovery Caudal de entrada 2084 m3/h Nº de pasos 1 Nº de etapas 1 Recovery 40% Flow factor 0,85 Nº de pressure vessels Por determinar Nº elementos en cada PV 8 Tipo de elemento SW30XHR-440i Temperatura Por determinar Recirculación 0 m3/h By-pass 0 m3/h Variando el número de tubos de presión, para obtener un flux que esté entre los 14 y los 7 l/h/m2, y variando los datos de entrada de temperatura, se simulan un total de 19 casos, que se presentan en la Tabla 7-2. 54 Tabla 7-2 Datos obtenidos. 50 bastidores 40% recovery 55 Como se observa en la Tabla 7-2, las presiones requeridas de entrada siguen bajando con respecto a simulaciones con recoverys mayores, y conforme aumenta el número de membranas instaladas por bastidor. Todas las simulaciones cumplen con los requisitos de calidad establecidos, aunque cuanto mayor es el número de elementos instalados peor es la calidad de salida. La simulación con 360 tubos de presión queda descartada por adverticia por alto recovery en la membrana 7 y 8 de cada tubo de presión, y porque la concentración de cloruros está muy próxima al límite máximo de 200 mg/l. 7.2 Coste energético En el presente capítulo se van a simular las configuraciones anteriormente validadas en el software ERI, y como ejemplo se mostrará la energía requerida para un bastidor con 330 tubos de presión. Dentro de las 3 simulaciones realizadas para dicha configuración de bastidor, se selecciona el caso de menor temperatura, caso 53, ya que es el que requiere una presión de entrada mayor. Tabla 7-3 Datos a introducir en ERI para configuración de 330 PV CASO 53 54 55 Nº Bastidores 50 50 50 Q alimentación (m3/h) 2084 2084 2084 Nº etapas 1 1 1 Nº PV 330 330 330 Tipo membrana SW30XHR- 440i SW30XHR- 440i SW30XHR- 440i Nº elementos 8 8 8 Total membranas 2640 2640 2640 FF 0,85 0,85 0,85 T min (ºC) 14 22 28 Recovery (%) 40,00% 40,00% 40,00% P ent (bar) 55,1 53,5 53,1 P concentrado (bar) 53,7 52,3 52 Tipo de warning NO NO NO Flux (LMH) 7,7 7,7 7,7 TDS (ppm) 133,5 212 294,6 Cloruro (ppm) 79,5 126 175,6 Introduciendo los datos en el simulador ERI, se obtiene la Tabla 7-4. Tabla 7-4 Caso 53. Datos a introducir en ERI Caso 53 Datos simulación Caudal HPP 845,2 m3/h (211,3 x 4) 62 Tabla 9-3 HPP-01. Resultados obtenidos 63 En la Tabla 9-3 se presentan los datos de todos los casos estudiados económicamente durante los capítulos 5, 6 y 7, y se recalculan los costes energéticos teniendo en cuenta la nueva bomba seleccionada de alta presión, y el nuevo número de bastidores resultantes. Cabe destacar para el análisis las siguientes consideraciones:  Para el cálculo de potencia de la bomba booster, al ser muy pequeña en comparación a la de la HPP, se ha vuelto a tomar el mimso valor que arrojó ERI. En este caso, al ser un caudal mayor, se ha multiplicado por el nº de bombas que sería necesario poner en paralelo para alcanzar dicho caudal.  Se ha interpolado entre los valores de la Tabla 9-2 para conseguir los valores de potencia de eje en cada uno de los casos  La nomenclatura de cada uno de los casos sigue el patrón numérico de los casos previamente estudiados, seguido de HPP01. Por ejemplo, el caso 22HPP01 sigue los mismos criterios de configuración de bastidor que el caso 22. La diferencia entre ellos es la bomba seleccionada, y el consumo energético, pero se mantiene el número total de membranas intaladas. Por tanto, las calidades de permeado, presiones de aporte de las bombas, recovery, o número de tubos de presión por bastidor, se mantienen entre ambos casos. El número resultante de tubos de presión resulta muy elevado para instalar en un único bastidor, por lo que a partir de este momento se considera que cada bomba de alta impulsa agua a dos bastidores. Esta práctica está extendida entre las depuradoras de alta capacidad. Por tanto, el número de bastidores se queda en 34 en lugar de 17. A continuación, se presentan las gráficas que comparan de formá rápida todos los nuevos casos estudiados entre ellos: Figura 9-2 HPP-01. Análisis de coste energético anual 50.000.000,00 € 55.000.000,00 € 60.000.000,00 € 65.000.000,00 € 70.000.000,00 € 75.000.000,00 € 80.000.000,00 € 180 230 280 330 380 Coste en €/año Nº PV por bastidor Análisis de coste energético anual HPP01 Coste reovery 45% HPP01 Coste recovery 50% HPP01 Coste recovery 40% Selección de equipos de bombeo 64 64 Figura 9-3 Consumo energético por m3 de permeado Los datos obtenidos con la nueva bomba son inferiores en cuanto a coste de consumo energético en comparación con los que se obtuvieron con las bombas ERI. Tabla 9-4 Coste energético por m3 de permeado. Comparativa entre bombas CASO 5 17 31 44 56 ERI (€/m3) 3,07 2,72 2,38 2,34 2,06 HPP-01 (€/m3) 2,99 2,64 2,29 2,20 1,96 Además, el número de bastidores resultantes es menor por lo que parece claro que en un estudio comparativo económico completo, la solución con las bombas de alto caudal de Torishima [19], en este caso la HPP-01, resulta más rentable. 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 kWh/m3 Nº PV por bastidor Consumo energético por metro cúbico HPP01 Recovery 45% HPP01 Recovery 50% HPP01 Recovery 40% 65 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa 10 ESTUDIO DE LA INVERSIÓN: CAPEX Y AMORTIZACIÓN En el presente capítulo se realizará un estudio económico de inversión o Capex para un bastidor de desalación. De esta forma se podrá comparar el coste energético de la planta, considerado como un coste operacional incluido en el Opex, junto a una aproximación de la inversión económica que se requiere para comprar los equipos a instalar. 10.1 Metodología Dentro de este Capex se tendrán en cuenta los siguientes elementos principales, ya que comprende la gran parte de la inversión en equipos de la planta:  Bomba de alta presión  Bomba booster  Recuperadores de energía  Tubos de presión  Membranas El grupo de partidas se puede diferenciar entre los siguientes casos:  Partidas con precio individual: son aquellas partidas a las que se le dará un precio individualizado para cada caso en concreto. Como por ejemplo ambas bombas  Partidas con precios unitarios: son aquellas partidas que tendrán siempre el mismo precio y dependerán por tanto del número de elementos a instalar. Por ejemplo, las membranas, los recuperadores, o los tubos de presión.  Se destaca un tercer grupo de partidas, que se podrían calcular como un porcentaje de la inversión total del bastidor. Estas son la instrumentación, la valvulería y la tubería en acero inoxidable super dúplex. Esta última, sobre todo, adquiere un porcentaje considerable dentro de la inversión total por bastidor. Como en todo el proyecto, este análisis de costes de inversión se está relizando para la ósmosis inversa, por lo que no se tiene en cuenta la captación, el pretratamiento, el bombeo de tratada o el tratamiento de los efluentes generados. Para desaladoras, se pueden establecer los siguientes criterios o porcentajes de inversión:(Fernando ruiz ruiz): - Obra civil: 20% - Equipos mecánicos: 40% - Membranas: 20% - Instrumentación: 10% - Otros: 10% Sin embargo, dentro del límite de batería del presente proyecto, los porcentajes se ven modificados por la alta influencia en la inversión de las membranas de desalación, quedando los porcentajes de la siguiente forma: - Obra civil: 2- 3% - Equipos mecánicos: 30-35% - Membranas: 55-65% Estudio de la inversión: capex y amortización 66 66 - Instrumentación: 1- 3% - Tuberías: 3- 8% - Tuberías: 5- 10% Conociendo el coste de las membranas para cada uno de los casos de estudios, podemos estimar los costes de inversión totales. Uno de los parámetros a tener en cuenta en la repercusión de los costes de inversión es la amortización de los equipos. La amortización se define como el proceso de distribución de un gasto en el tiempo de vida de un determinado producto. De esta forma, será necesario conocer el tiempo de vida útil de los productos o equipos de la desaladora, para que el periodo de amortización coincida con la vida de la tecnología. El criterio de periodos de amortización adoptados es el siguiente: - Equipos mecánicos: 12 años - Membranas: 8 años - Instrumentación y control: 12 años - Obra civil: 25 años - Tuberías: 15 años 10.2 Costes caso 5 frente caso 5 HPP-01 En este apartado se va a comparar el capex del caso 25, donde se tiene un número de bastidores de 44 y la bomba de impulsión es la que proporcionó el software ERI, frente a su caso homólogo 25 HPP-01, que tiene un menor número de bastidores (17) y la bomba de aporte es la HPP-01 de Torishima. A continuación, se presentan los costes de los principales equipos para el caso 25: Tabla 10-1 Caso 5. Coste de equipos principales Equipment Type Equipment Description Unid./bastidor Nº bastidores Supplier SUPPLY Unit price SUPPLY Total price Pump HPP 1 44 ERI 200.000,00 € 8.800.000,00 € Pump Booster 1 44 ERI 20.000,00 € 880.000,00 € Tubo presión 8" 8 elementos 240 44 BEL 1.100,00 € 11.616.000,00 € Membrana Membrana SWX30 1920 44 DUPONT 800,00 € 67.584.000,00 € Recuperador PX-Q400 18 44 ERI 30.000,00 € 23.760.000,00 € TOTAL 112.640.000,00 € Tal y como se observa en la tabla, al haber un número tan alto de bastidores el coste de las membranas adquiere un porcentaje elevadísimo frente al resto de costes. Si comparamos estos costes con los de su homólogo para una bomba de mayor capacidad, se obtiene la Tabla 10-2: 67 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Tabla 10-2 Caso 5 HPP-01. Coste de equipos principales Equipment Type Equipment Description Unid./bastidor Nº bastidores Supplier SUPPLY Unit price SUPPLY Total price Pump HPP 1 17 Torishima 450.000,00 € 7.650.000,00 € Pump Booster 1 17 Torishima 45.000,00 € 765.000,00 € Tubo presión 8" 8 elementos 650 17 BEL 1.100,00 € 12.155.000,00 € Membrana Membrana SWX30 5200 17 DUPONT 800,00 € 70.720.000,00 € Recuperador PX-Q400 35 17 ERI 30.000,00 € 17.850.000,00 € TOTAL 109.140.000,00 € Como se observa, los costes totales teniendo en cuenta los equipos principales son menores en el caso de la configuración con la bomba de alta HPP-01. Este primer análisis hace que se descarten, para el análisis económico de inversión de equipos, los casos con las bombas de baja capacidad y un mayor número de bastidores. Conclusión: Los costes de inversión o Capex se realizarán y compararán entre los casos que contienen la bomba HPP-01 10.3 Capex: casos HPP-01 En este capítulo se calculará el capex de todos los casos que contienen la bomba HPP-01, así como sus amortizaciones anuales, según los criterios pre-establecidos en el apartado 10.1 Introduciendo los costes principales para cada uno de los casos se obtiene la siguiente tabla de costes de inversión: Estudio de la inversión: capex y amortización 68 68 Tabla 10-3 Casos HPP-01. Costes de inversión Caso Equipos mecánicos Membranas Instrumentación Tuberías Obra civil TOTAL 5HPP01 31.297.000,00 € 50.048.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 91.345.000,00 € 8HPP01 31.671.000,00 € 52.224.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 93.895.000,00 € 11HPP01 32.606.000,00 € 57.664.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 100.270.000,00 € 14HPP01 33.541.000,00 € 63.104.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 106.645.000,00 € 17HPP01 33.915.000,00 € 65.280.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 109.195.000,00 € 22HPP01 36.363.000,00 € 58.752.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 105.115.000,00 € 25HPP01 38.420.000,00 € 70.720.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 119.140.000,00 € 28HPP01 39.355.000,00 € 76.160.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 125.515.000,00 € 31HPP01 40.477.000,00 € 82.688.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 133.165.000,00 € 34HPP01 41.225.000,00 € 87.040.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 138.265.000,00 € 37HPP01 42.347.000,00 € 93.568.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 145.915.000,00 € 41HPP01 39.933.000,00 € 58.752.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 108.685.000,00 € 44HPP01 41.990.000,00 € 70.720.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 122.710.000,00 € 47HPP01 42.925.000,00 € 76.160.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 129.085.000,00 € 50HPP01 44.982.000,00 € 88.128.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 143.110.000,00 € 53HPP01 46.478.000,00 € 96.832.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 153.310.000,00 € 56HPP01 47.506.500,00 € 102.816.000,00 € 2.000.000,00 € 5.500.000,00 € 2.500.000,00 € 160.322.500,00 € Nota: Se ha considerado un mismo coste para todos los casos en obra civil, intrumentación y tuberías, ya que se considera que estos parámetros apenas se ven afectados por el incremento en tubos de presión en casa configuración. Si los costes de inversión los trasladamos a porcentajes, se puede observar como se conserva el criterio que se estableció en el apartado 10.1, manteniéndose en la mayoría de los casos: - Obra civil: 2- 3% - Equipos mecánicos: 30-35% - Membranas: 55-65% - Instrumentación: 1- 3% - Tuberías: 3- 8% 69 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa Tabla 10-4 Casos HPP-01: Porcentajes de inversión por partidas Caso Equipos mecánicos Membranas Instrumentación Tuberías Obra civil TOTAL 5HPP01 34% 55% 2% 6% 3% 46.195.000,00 € 8HPP01 34% 56% 2% 6% 3% 47.470.000,00 € 11HPP01 33% 58% 2% 5% 2% 50.020.000,00 € 14HPP01 31% 59% 2% 5% 2% 52.570.000,00 € 17HPP01 31% 60% 2% 5% 2% 53.845.000,00 € 22HPP01 35% 56% 2% 5% 2% 47.470.000,00 € 25HPP01 32% 59% 2% 5% 2% 52.570.000,00 € 28HPP01 31% 61% 2% 4% 2% 55.120.000,00 € 31HPP01 30% 62% 2% 4% 2% 57.670.000,00 € 34HPP01 30% 63% 1% 4% 2% 60.220.000,00 € 37HPP01 29% 64% 1% 4% 2% 62.770.000,00 € 41HPP01 37% 54% 2% 5% 2% 47.470.000,00 € 44HPP01 34% 58% 2% 4% 2% 52.570.000,00 € 47HPP01 33% 59% 2% 4% 2% 55.120.000,00 € 50HPP01 31% 62% 1% 4% 2% 60.220.000,00 € 53HPP01 30% 63% 1% 4% 2% 64.045.000,00 € 56HPP01 30% 64% 1% 3% 2% 66.595.000,00 € Como se observa en Tabla 10-4, hay casos donde el incremento del número de membranas ha hecho que los costes aumenten considerablemente. Estos casos son los que tienen un consumo energético menor, por lo que se antoja necesario cruzar datos con el objetivo de determinar las configuraciones más viables. Para ello, es necesario conocer la amortización anual. 10.4 Amortización anual Para el cálculo de la amortización anual se parte del criterio preestablecido en el apartado 10.1: - Equipos mecánicos: 12 años - Membranas: 8 años - Instrumentación y control: 12 años - Obra civil: 25 años Estudio de la inversión: capex y amortización 70 70 - Tuberías: 15 años Estableciendo dicho criterio, se obtiene la Tabla 10-5: Tabla 10-5 Casos HPP-01. Amortización anual Caso Equipos mecánicos 12 años Membranas 8 años Instrumentación 12 años Tuberías 15 años Obra civil 25 años TOTAL amortzación anual 5HPP01 2.608.083,33 € 6.256.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 9.497.416,67 € 8HPP01 2.639.250,00 € 6.528.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 9.800.583,33 € 11HPP01 2.717.166,67 € 7.208.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 10.558.500,00 € 14HPP01 2.795.083,33 € 7.888.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 11.316.416,67 € 17HPP01 2.826.250,00 € 8.160.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 11.619.583,33 € 22HPP01 3.030.250,00 € 7.344.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 11.007.583,33 € 25HPP01 3.201.666,67 € 8.840.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 12.675.000,00 € 28HPP01 3.279.583,33 € 9.520.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 13.432.916,67 € 31HPP01 3.373.083,33 € 10.336.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 14.342.416,67 € 34HPP01 3.435.416,67 € 10.880.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 14.948.750,00 € 37HPP01 3.528.916,67 € 11.696.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 15.858.250,00 € 41HPP01 3.327.750,00 € 7.344.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 11.305.083,33 € 44HPP01 3.499.166,67 € 8.840.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 12.972.500,00 € 47HPP01 3.577.083,33 € 9.520.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 13.730.416,67 € 50HPP01 3.748.500,00 € 11.016.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 15.397.833,33 € 53HPP01 3.873.166,67 € 12.104.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 16.610.500,00 € 56HPP01 3.958.875,00 € 12.852.000,00 € 166.666,67 € 366.666,67 € 100.000,00 € 17.444.208,33 € 71 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa 11 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SELECCIÓN DE LOS CASOS ÓPTIMOS En el presente capítulo se cruzarán todos los datos que se han ido obteniendo y validando durante el transcurso del presente trabajo, y se compararán los resultados obtenidos. Recapitulando los pasos realizados hasta el momento: 1. Simulación en WAVE de la planta de estudio, con una capacidad de 1000000 m3/día. Gracias a este estudio se pudo saber las configuraciones de ósmosis factibles técnicamente, sus condiciones de operación necesarias, y la calidad del agua de salida para cada simulación 2. Simulacuón de los casos validados en el paso 1, en el software ERI. Gracias a esta nueva simulación se conoce el nº de intercambiadores de presión a instalar en cada caso. También se conocen datos de bombas que consiguien alcanzar las condiciones de operación simuladas 3. Selección de otra bomba disponible en el mercado y comparativa energética con los casos anteriormente simulados. En este análisis se concluye que una bomba de mayor capacidad presenta un consumo enrgético total muy parecido, pero consigue disminuir el nº de bastidores instalados. 4. Comparativa de inversiones económicas entre todos los casos. En este apartado se descartaron los casos que contenían las bombas que se seleccionaron en el simulador ERI, ya que su baja capacidad hacía que el número de bastidores a instalar incrementase notablemente. 5. Estudio de la amortización anual entre los casos seleccionados Los resultados que se han obtenido son los siguientes: Tabla 11-1 Análisis de costes anuales Caso Coeste energético Amortización anual de equipos TOTAL 5HPP01 77.837.799,07 € 9.497.416,67 € 87.335.215,74 € 8HPP01 75.898.300,06 € 9.800.583,33 € 85.698.883,39 € 11HPP01 72.562.086,14 € 10.558.500,00 € 83.120.586,14 € 14HPP01 69.689.592,65 € 11.316.416,67 € 81.006.009,32 € 17HPP01 68.603.279,33 € 11.619.583,33 € 80.222.862,66 € 22HPP01 69.167.144,41 € 11.007.583,33 € 80.174.727,74 € 25HPP01 63.512.550,26 € 12.675.000,00 € 76.187.550,26 € 28HPP01 69.912.173,72 € 13.432.916,67 € 83.345.090,39 € 31HPP01 66.529.326,61 € 14.342.416,67 € 80.871.743,27 € 34HPP01 61.641.158,30 € 14.948.750,00 € 76.589.908,30 € 37HPP01 60.073.772,47 € 15.858.250,00 € 75.932.022,47 € 41HPP01 63.293.411,01 € 11.305.083,33 € 74.598.494,34 € 44HPP01 58.290.241,69 € 12.972.500,00 € 71.262.741,69 € 47HPP01 56.650.518,60 € 13.730.416,67 € 70.380.935,26 € 50HPP01 54.186.337,43 € 15.397.833,33 € 69.584.170,77 € 53HPP01 52.808.100,48 € 16.610.500,00 € 69.418.600,48 € 56HPP01 52.063.874,11 € 17.444.208,33 € 69.508.082,44 € De la Tabla 11-1 se concluye que los costes energéticos tienen mucho peso a la hora de seleccionar el caso de estudio más favorable. De hecho, los casos de estudio que presentaron durante todas las simulaciones anteriores un consumo energético menor, son las que mejores resultados han obtenido. Conclusiones finales 78 78 79 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa BIBLIOGRAFÍA [1] «Filtrración de agua por membranas - Avance y Perspectiva,» [En línea]. Available: https://avanceyperspectiva.cinvestav.mx/filtracion-de-agua-por-mem branas/?print=print. [Último acceso: 21 septiembre 2024]. [2] «Ósmosis inversa: ventajas y desventajas - WaterStation,» [En línea]. Available: https://waterstation.mx/agua-y-salud/osmosis-inversa-ventajas-y- desventajas/. [Último acceso: 21 septiembre 2024]. [3] G. Alvarez Soto, «Desalación de agua de mar mediante Ósmosis Inversa y Energía Fotovoltaica para provisión de agua potable en Islas Damas, Región de Coquimbo,» UNESCO, 2013. [4] F. Ferrete Cardona, «Ósmosis y presión osmótica. 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[Último acceso: 9 septiembre 2024]. 81 Simulación y evaluación tecno-económica de diseños de megaplantas de desalación por ósmosis inversa GLOSARIO OI Ósmosis inversa TDS. Sólidos totales en suspensión ppm. Partes por millón MBR Reactor biológico de membrana ZLD Zerod Liquid Discharge DAF Flotación por aire disuelto MF Microfiltración UF Ultraifltración SST Sólidos en suspensión totales DWEER Dual Work Exchanger Energy Recovery MLD Minimum liquid discharge RO Reverse Osmosis PV Pressure vessel CIP Clean in place dP Diferencia de presión Glosario 82 82