Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde

i Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Autor: Bella Santana Álvarez Tutores: Lourdes García Rodríguez y Abel Riaza Frutos Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 ii iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Autor: Bella Santana Álvarez Tutor: Dra. Lourdes García Rodríguez, Catedrática de Universidad Dr. Abel Riaza Frutos, Abengoa Water Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iv v Proyecto Fin de Carrera: Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Autor: Bella Santana Álvarez Tutor: Lourdes García Rodríguez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 vi El Secretario del Tribunal vii A mi familia y amigos A mis maestros viii ix Agradecimientos A todos mis profesores, sobre todo a aquellos que amaban su profesión y me enseñaron a amar la ciencia. A mi tutora, Lourdes, por ser mi guía en la elaboración y composición de este Trabajo. A mi familia; en especial a mi madre, mi padre y mi hermana, por su apoyo y amor incondicional. A mis amigos, los de aquí y los de allí. A mis GIEs, por el camino recorrido juntos. A Borja, por ser un pilar fundamental. Bella Santana Álvarez Sevilla, 2018 xvi xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3-1. Información sobre el proyecto Wave2OTM. 40 Tabla 3-2. Ventajas e inconvenientes de las tecnologías de desalación 45 Tabla 3-3. Requerimiento de energía de las tecnologías de desalación 46 Tabla 3-4. Coste aproximado de las tecnologías de desalación 46 Tabla 3-5. Coste típico de los sistemas de desalación de energía renovable 46 Tabla 4-1. Tipo de bomba de alta presión utilizada en el sistema de desalación por ósmosis inversa. 55 Tabla 4-2. Datos conocidos para el cálculo de la recuperación energética y SEC operando con un 100% de caudal de alimentación en la instalación. 62 Tabla 4-3. Datos conocidos para el cálculo de la recuperación energética y SEC operando con un 75% de caudal de alimentación en la instalación. 63 Tabla 4-4. Datos conocidos para el cálculo de la recuperación energética y SEC operando con un 50% de caudal de alimentación en la instalación. 64 Tabla 4-5. Resultados de los cáculos del SEC bruto (ROSA, sin recuperación energética) y del SEC neto (con recuperación energética), así como de la calidad del agua producto para distintos casos de operación a carga parcial. 65 Tabla 4-6. Parámetros necesarios para interconectar el SWRO con el sistema de energía undimotriz. 66 xviii xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2 1. Propiedades de las olas. 28 Figura 2 2. Energía cinética y potencial de las olas 29 Figura 2 3. Distribución global de los niveles de potencia de las olas. 30 Figura 2-4. Distribución de los niveles de potencia de las olas en Europa. 30 Figura 3-1. Clasificación de WEC según profundidad de instalación 34 Figura 3-2. Columna de agua oscilante fija. 35 Figura 3-3.Wave Dragon. 36 Figura 3-4. Movimientos relativos provocados por el oleaje 36 Figura 3-5. Ejemplos de WEC oscilantes según sus movimientos relativos 37 Figura 3-6.Pato de Salter. 37 Figura 3-7.Pelamis. 38 Figura 3-8.Cilindro de Bristol 38 Figura 3-9. Ubicación del proyecto piloto Wave2OTM: Praia Grande, Cabo Verde 39 Figura 3-10. Escasez de agua potable en el África subsahariana 39 Figura 3-11. Disponibilidad mundial de agua potable. 40 Figura 3-12.Sistema de desalación de olas Wave2OTM operando sin electricidad. 41 Figura 3-13. Esquema del proyecto Wave2OTM operando con 15 WEC 42 Figura 3-14. Tipos de turbinas submarinas. 42 Figura 3-15. Contribución global reciente de cada tecnología de desalinización 44 Figura 3-16. WEC in Vizhinjam, India 48 Figura 3-17. Caudal de producción de agua y curva del nivel de almacenamiento por horas 50 Figura 3-18. a) Comparación entre la solicitud de potencia RO (Pro-req) y la energía generada por ISWEC individual (Piswec) y b) Análisis de sensibilidad en las unidades ISWEC 50 Figura 3-19. Diagrama conceptual de un sistema de admisión de pozo inclinado. 51 Figura 3-20. Diagrama que muestra un sistema difusor multipuerto montado en el extremo de una tubería de descarga. 52 Figura 4-1. Esquema de funcionamiento de ósmosis y ósmosis inversa. 54 Figura 4-2. Esquema conceptual de un sistema de ósmosis inversa 54 Figura 4-3. Situación de los botones de cabecera (azul), de las pestañas principales (rojo) y del marco exterior (verde) 56 Figura 4-4. Software ROSA. Cumplimentación de tabla de solutos del agua del Atlántico 57 Figura 4-5. Detail Report de la simulación de referencia de la desalación de agua del Océano Atlántico mediante el software ROSA 58 Figura 4-6. Detail Report de la simulación mejorada elegida de la desalación de agua del Océano Atlántico mediante el software ROSA 59 xx Figura 4-7. Comportamiento de un intercambiador energético PX-220 en condiciones de operación variables 60 Figura 4-8. Esquema del sistema de desalación con referencias a los distintos tramos existentes 61 Figura 5-1. Dimensionado instalación SWRO + Energía undimotriz. 69 Figura 6-1. Aplicación a localización y configuración más favorable. 71 Figura 6-2. Aplicación a localización y configuración más desfavorable. 71 xxi xxii Notación RME WEC RO MSF MSD SD IDA TDS SWRO qv,F qv,I qv,G qv,H qv,D qv,B Pn Pw,Total μ HPP μBP μ eng SEC Tsw ρsw Pamb PWEC PSWRO PExceso qv,planta qv,produc SECAUX SECTOT Resolute Marine Energy Convertidor de energía undimotriz (Wave Energy Converter) Ósmosis inversa (Reverse osmosis) Destilación multietapa por efecto flash (Multi-stage flash destillation) Destilación multiefecto (Multi-effect destillation) Destilación solar (Solar destillation) Asociación internacional de desalación (International Desalination Association) Sólidos disueltos totales (Total disolved solids) Ósmosis inversa del agua de mar (Sea water reverse osmosis) Caudal volumétrico de alimentación Caudal volumétrico de permeado Caudal volumétrico de concentrado a la entrada del ERI-PX Caudal volumétrico de concentrado a la salida del ERI-PX Caudal volumétrico de agua de mar a la salida del ERI-PX Caudal volumétrico de agua de mar a la entrada del ERI-PX Presión en el punto n Potencia total consumida Eficiencia de la High Pressure Pump Eficiencia de la Booster Pump Rendimiento motor Consumo energético específico Temperatura del agua de mar Densidad del agua de mar Presión ambiente Potencia generada por el/los WEC Potencia demandada por el sistema SWRO Potencia generada en exceso Caudal volumétrico de permeado que se produciría en la planta Caudal volumétrico de permeado producido realmente en la planta Consumo energético específico auxiliar Consumo energético específico total xxiii 23 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 1 INTRODUCCIÓN a utilización de fuentes de energía renovables para la producción y distribución de agua es actualmente una realidad que ha demostrado ser capaz de ofrecer soluciones competitivas viables frente a la escasez de agua y la necesidad de reducir los combustibles fósiles como fuente de energía. Para la producción de agua potable o desalación de agua de mar, las tecnologías de membrana, especialmente la ósmosis inversa, han conseguido grandes avances en las últimas décadas además de ser competitivas con la destilación. Los mares y océanos representan una de las mayores fuentes de energías renovables disponibles en nuestro planeta, ofreciendo un enorme potencial energético que, mediante diferentes tecnologías, se puede aprovechar y contribuir a satisfacer nuestras necesidades energéticas. Como hecho a destacar, este Trabajo se aplica al diseño de una instalación de desalación de aguas marinas basado en una planta real que será ubicada en Cabo Verde (Wave2OTM Cabo Verde), abastecida en su totalidad por energía undimotriz. Gran parte de los procesos para desalar agua utilizando energía undimotriz se efectúan convirtiendo el movimiento de las olas en energía eléctrica, con la que posteriormente se abastece a la planta desaladora. Sin embargo, como se explicará posteriormente en más detalle, el proyecto propuesto aprovechará directamente el movimiento del oleaje para desalar agua por ósmosis inversa, sin necesidad de convertir el movimiento en energía eléctrica. 1.1 Objetivos El presente Trabajo se centra en dos objetivos fundamentales.  El primero de ellos es el diseño preliminar de una planta desaladora mediante ósmosis inversa adecuada para la aplicación de energía undimotriz. Para ello se ha procedido al cálculo del consumo energético específico de un sistema de desalación por ósmosis inversa, en dos casos distintos: con recuperación de energía y sin recuperación de energía. En primer lugar, con ayuda de software comercial, se obtiene el consumo de un sistema de desalación basado en ósmosis inversa sin recuperación energética. En segundo lugar, a partir de esta información, se selecciona una recuperación energética y se calcula el nuevo valor del consumo energético de sistema. Además se ha tenido en cuenta en todo momento que la energía de las olas es una energía no constante y por ello se han realizado todos los cálculos para varios casos de operación con recurso energético variable.  Otro objetivo es el dimensionado de esa instalación interconectada con el sistema de conversión de L 24 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde energía undimotriz para el análisis del comportamiento de la planta en Cabo Verde y en otras localizaciones con distintos consumos energéticos. 1.2 Alcance El presente Trabajo culmina con una correcta aplicación de todo lo desarrollado a lo largo del mismo para una ubicación como es Praia Grande, en Cabo Verde, para luego extender lo aprendido a otras localizaciones. Para lograr tal fin es necesario llevar a cabo un estudio exhaustivo de la desalación por ósmosis inversa (RO, Reverse Osmosis) de las aguas del Océano Atlántico. Para comenzar se estudian todos y cada uno de los elementos que constituyen un sistema de desalación por RO para poder realizar el diseño preliminar de forma correcta. Posteriormente se eligen los óptimos una vez obtenidos del Proyecto piloto Wave2OTM Cabo Verde los datos necesarios para ello, como puede ser el caudal de alimentación de agua de mar que es capaz de desalar al día. Para el diseño, además, se debe saber la temperatura y salinidad propia de las aguas de esa zona concreta u obtener unos valores similares (por ejemplo, de la isla canaria de Santa Cruz de Tenerife). Conocida esta información, se procede a calcular consumos energéticos específicos con distintas cargas en operación para compararlos y concluir en qué circunstancias es mejor operar que parar la operación de la planta. Para estos cálculos nos ayudamos de un programa informático llamado ROSA, el cuál nos da el consumo energético específico (SEC, Specific Energy Consumption) bruto (sin recuperación energética) para distintos casos de operación a carga parcial (además de con carga total). Los cáculos del SEC neto, con recuperación energética, se realizan a mano a partir de las ecuaciones termodinámicas expresadas en el Capítulo 4. Por último, con ayuda y el desarrollo de un fichero de Excel, se modela todo este diseño preliminar. De esta forma vinculamos el sistema de desalación por RO previo con el impulso necesario de la energía de las olas de Praia Grande para tal desalación de agua. A partir de aquí y conocidas las variables necesarias de otros emplazamientos, se podría aplicar lo aprendido a otras localizaciones. 1.3 Estructura El texto se compone de distintos objetos de estudio localizados de forma deductiva en diferentes capítulos numerados del 1 al 7. Cada capítulo se compone a su vez de distintas secciones en las cuales se estudian aspectos relativos al principal objeto de estudio. A continuación se explica el contenido de cada capítulo. Capítulo 1. Introducción. En este primer capítulo se desarrolla una pequeña introducción del Trabajo, se explican sus principales objetivos, el alcance, la estructura que posee y la metodología que sigue del mismo. Capítulo 2. Energías marinas. Aplicación a la desalación de agua. Este es un capítulo completamente teórico en el que se muestra la justificación del Trabajo y se explican todos los aspectos relativos a las energías marinas, como pueden ser el origen o las propiedades de las olas, y se pone de manifiesto su aplicación a la desalación de agua. Capítulo 3. Aprovechamiento de la energía undimotriz. En este capítulo se realiza una definición de las principales tecnologías de conversión de energía de las olas y de su viabilidad técnica. Además se introduce el Proyecto piloto de la empresa Resolute Marine Energy en Cabo Verde: Wave2OTM Cabo Verde. Por último también se exponen 31 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 2-4. Distribución de los niveles de potencia de las olas en Europa. [3]. 2.1.3 Ventajas y desventajas. En esta sección se discutirán las ventajas que tendría el aprovechamiento de la energía undimotriz, así como sus inconvenientes.  Ventajas: 1.- Es una energía limpia. El aprovechamiento de la energía de las olas no implica emisiones de los nocivos gases de efecto invernadero. Esta es la mayor motivación a la hora de desarrollar esta tecnología. Tenemos la urgencia de hallar fuentes de energía que sustituyan a los combustibles fósiles que son muy contaminantes. 2.- Es renovable. Se conoce como energía renovable aquella energía que utiliza los recursos inagotables de la naturaleza. De esta forma, como esta fuente de energía se origina de manera indirecta mediante la energía solar, es inagotable y, consecuentemente, renovable. 3.- Tiene un enorme potencial energético. La cantidad de energía que contienen las olas es enorme. Por cada 10 m2 de superficie de olas de 1 metro de altura se estima que se puede obtener entre 20 y 40 kW. A medida que nos adentramos en el océano, se puede llegar a los 100 kW por metro de altura y 10 m2 de superficie. 4.- Es segura. Todos los días hay olas y raramente se interrumpen. Esto hace que las olas sean una fuente de producción de energía bastante fiable, a diferencia de la energía solar o eólica que dependen de la climatología en gran medida. Debería aclararse que la cantidad de energía de las olas varía de año en año o de estación en estación. Por ejemplo, en el hemisferio norte la energía potencial en el mes de noviembre duplica a la del mes de mayo. La energía de las olas y del viento tiene mayor potencial en invierno lo que es estupendo, pues se puede combinar con la energía solar cuyo mayor potencial se da precisamente en verano. 5.- Eficiente respecto al espacio. Una granja marina de olas con una superficie de menos de una milla cuadrada (1.6 kilómetros cuadrados aprox.) puede generar más de 30 MW, pudiendo cubrir las necesidades de 20.000 hogares. Además no provoca un gran impacto visual.  Desventajas: 1.- Efectos medioambientales. Si se ven afectadas las plantas cercanas a la orilla que son además visibles desde tierra, se pueden ocasionar conflictos con intereses turísticos o con la aceptación de población local. Debido a esto, las instalaciones deben someterse a un riguroso estudio para minimizar impactos al medio y encontrar el tamaño y el emplazamiento óptimos. Hoy en día desconocemos los efectos de las instalaciones de energía undimotriz sobre la vida marina. 2.- Costes. 32 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde La energía de las olas está todavía en periodo de desarrollo, lo que significa que los costes son todavía muy grandes. Encontrar lugares con olas óptimos, mejorar la conexión a la red eléctrica y la vida útil de las instalaciones son factores que afectan significativamente al precio de este tipo de energía. Por ello, en la actualidad los costes son generalmente altos pero en un futuro próximo serán cada vez más competitivos. 3.- Mantenimiento. Casi todas las partes involucradas en las instalaciones para aprovechar la energía de las olas requieren un mantenimiento regular y esto redunda una vez más en los costes. En resumen, el aprovechamiento de la energía de las olas o energía undimotriz tiene un gran potencial. Sin embargo, sigue siendo necesario más inversión en la investigación de mejores tecnologías para hacerla más competitiva con otras formas de energía. 2.2 Aplicación de las energías marinas a la desalación de agua. La desalación de agua de mar o salobre se aplica para obtener agua potable principalmente para poblaciones, hoteles, industrias, islas remotas e irrigación en zonas de ocio y agrícolas. Sin embargo, los requisitos energéticos de los procesos de desalinización son altos. Por ello, el suministro de energía en países de bajo desarrollo o áreas aisladas puede ser un problema, especialmente si se requiere electricidad. Dado que la mayoría de las regiones áridas tienen altos recursos de energía renovable, el uso de energías renovables en la desalación del agua de mar presenta una oportunidad interesante, o incluso la única forma de ofrecer una fuente segura de agua dulce. En la aplicación de las energías del mar a desalación de agua es importante destacar que esto implica que la planta pueda colocarse lo más cercana posible a la línea de costa. A continuación se revisan las tecnologías de aplicación y el desarrollo del acoplamiento de sistemas de energías marinas con unidades de desalinización. Se señala que hay lugar de desarrollo incluso para tecnologías que parecen ser las más maduras. 2.2.1 Tecnologías de desalación. Las tecnologías de desalación industrial aplicables al uso de energía undimotriz usan membranas semipermeables para separar el solvente o algunos solutos. Son procesos de membrana la ósmosis inversa (RO) y electrodiálisis (ED). Este último sólo es aplicable a aguas de baja concentración salina (agua salobre), por lo tanto no es una opción de interés en el uso de energías marinas. La RO requiere electricidad o potencia en el eje de la bomba para impulsar y aumentar la presión del agua salada de alimentación. Normalmente alrededor de 55 bar para la desalinización del agua de mar. Todos los procesos de desalación requieren un pretratamiento químico del agua de mar y también requieren un post-tratamiento químico. ED requiere electricidad. Ambos, RO y ED, se usan para la desalinización de agua salobre, pero solo los RO compiten con los procesos de destilación en la desalación de agua de mar. Los procesos dominantes en la industria de la desalación de agua de mar son destilación MSF (Multi-Stage Flash) y RO: 44% y 42% de la capacidad mundial, respectivamente. El proceso MSF representa más del 93% de la producción del proceso térmico, mientras que el proceso de RO representa más del 88% de la producción de procesos de membrana. [4]. 33 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 2.2.2 Energía oceánica. La energía oceánica consiste en el aprovechamiento de la energía de las olas, las mareas y el gradiente térmico del mar. Su potencia nominal son 0.5, 240 y 40 MWe, respectivamente. Por otro lado, la conversión de energía térmica oceánica es una tecnología ya experimentada y constatada, sin embargo, su alto coste limita su desarrollo comercial. Esta tecnología se basa en un ciclo de conversión de energía mediante la diferencia de temperatura entre el agua de mar superficial y agua de mar a una profundidad de 1000 m o incluso más. El agua de mar caliente pasa por una cámara de vacío y se condensa, después de la expansión, por agua fría. Una variedad de diferentes sistemas de desalación impulsados por energía oceánica se diseñaron de la siguiente manera: Rabas y Panchal (1991) describen un sistema de desalinización de MSF acoplado a un sistema de energía oceánica térmica. Además, Rey y Lauro (1981) analizan el acoplamiento de una planta de conversión de energía térmica impulsada por el gradiente térmico del mar y una unidad de destilación. Con respecto a la desalinización impulsada por olas, la Universidad de Delaware (EE. UU.) desarrolló una planta RO impulsada por olas, denominada DELBOUY. Su comercialización comenzó en 1985 por ISTI Delaware, Inc. Se evaluaron diferentes capacidades de planta desde 6 m3 / día disponible ya que el sistema es modular. La experiencia operativa mostró un período de amortización de cinco años (Hicks et al., 1989). Además, McCormick y Kim (1997) ofrecen estimaciones de costes para un sistema de RO impulsado por olas en planta de menos de 1 dólar por 1000 galones cuando el sistema opera en un mar con una altura media de ola de 1.5 m y un período de 7.5 s. Por otro lado, Heath (1996) propuso un sistema híbrido de energía eólica y undimotriz conectado a una unidad de destilación. Las ventajas de tal sistema serían la disponibilidad de una fuente de energía más regular que la energía eólica. Como conclusión, se puede afirmar que el uso del sistema RO parece ser razonable para la aplicación de energía undimotriz, a pesar de que la energía de las olas no sea comercial. Actualmente, debido a los avances de la tecnología RO, las aplicaciones con procesos de compresión mecánica de vapor (MVC, Mechanical Vapour Compression) deberían descartarse por excesivos consumos. A título de ejemplo, mientras que en el Atlántico el consumo principal de un proceso RO está en torno a 2 kWh/m3, el del proceso MVC sería superior al doble. 34 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 3 APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA UNDIMOTRIZ. VIABILIDAD TÉCNICA as tecnologías en las que se basa el aprovechamiento de la energía de las olas están en continuo desarrollo y aunque existen distintos tipos de aplicaciones reales, se están diseñando en la actualidad nuevas instalaciones y también existen otras que aún no se han implantado. A continuación se explican las principales y más maduras tecnologías de conversión de energía undimotriz. 3.1 Tecnologías de conversión de energía. El movimiento de las olas puede convertirse en energía mecánica y luego en energía eléctrica usando sistemas apropiados. Los convertidores de energía de las olas generalmente se refieren en la literatura como dispositivos WEC que es el acrónimo en inglés de Wave Energy Converter. Existen alrededor de cuarenta mecanismos para explotar la energía de las olas. Se dispone de diferentes clasificaciones de los dispositivos que extraen energía de las olas. Según el sitio de la instalación, los convertidores de energía de las olas se clasifican en convertidores de aguas profundas, aguas intermedias y profundidades reducidas; tal y como se muestra en la figura: Figura 3-1. Clasificación de WEC según profundidad de instalación. Su distinción se basa en la teoría lineal, concretamente en función de la longitud de onda y la profundidad. También podemos clasificar los dispositivos de energía de las olas en función del mecanismo efectivo por el que absorben la energía de éstas. Esta clasificación se divide en tres grupos principales, columna de agua oscilante (CAO), rebosamiento y movimiento oscilatorio.  Columna de Agua Oscilante. L 35 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Como su nombre indica, la columna de agua oscilante u OWC (Oscillating Water Column) aprovecha el recurso energético de las olas mediante la oscilación del agua en el interior de una cámara. Cuando la ola penetra en la cavidad, aumenta la presión interior de la columna, ejerciéndose una fuerza sobre el aire encerrado que es obligado a pasar por una turbina. Finalmente un generador de inducción acoplado a la turbina y conectado a la red proporciona la salida eléctrica. Por otra parte, el movimiento de retroceso de la ola hace que la presión disminuya, lo que provoca que el aire vuelva desde la atmósfera para llenar el vacío resultante. En este caso la succión de aire hacia la cámara se realiza nuevamente a través de la turbina. El mecanismo de funcionamiento del sistema OWC se presenta en la siguiente figura: Figura 3-2. Columna de agua oscilante fija. [5]. Los dispositivos OWC presentan una eficiencia fuertemente dependiente de la frecuencia de la ola incidente. Con geometrías optimizadas, la eficiencia puede variar entre un 10% y un 90%. Este tipo de principio de captación suele ser implantado, como se muestra en la anterior figura, en instalaciones en la línea de costa o rompe olas. No obstante, también han sido desarrollados dispositivos flotantes para su instalación lejos de la costa. En ellos, la cámara de aire es sustituida por una cavidad cilíndrica donde se produce la ascensión y descenso de la columna de agua.  Rebosamiento. Este principio puede entenderse como la transferencia al mar de la generación hidráulica convencional. Los dispositivos están diseñados con rampas por la cuales ascienden las olas incidentes hasta alcanzar un reservorio de agua en la parte superior. Este agua almacenada se conduce a través de una turbina hidráulica conectada a un generador que se encarga de producir electricidad. La instalación puede estar dotada de más de un reservorio de agua, a distintos niveles, y de varias turbinas. Este tipo de principio puede ser empleado tanto en instalaciones en la linea de costa como en plataformas flotantes alejadas de la costa. Algunos ejemplos de instalaciones en línea de costa son el dispositivo Tachan o SSG, y en estructuras flotantes, el caso más representativo es el Wave Dragon, mostrado en la figura siguiente: 36 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 3-3.Wave Dragon. [6]. Este dispositivo utiliza un diseño reflector que concentra las olas en dirección a una rampa para llenar un reservorio ubicado a un nivel más alto. La electricidad se produce cuando el agua del reservorio desciende por un conducto que mueve una turbina acoplada a un generador. Desde 1998 el desempeño de este sistema ha sido optimizado a través de modelación numérica y de mediciones en tanques experimentales. Las mejoras se han enfocado en el diseño del reflector y de la sección transversal de la rampa. Actualmente se está enfocando la investigación en el desarrollo de una unidad múltiple de generación de 77 MW. [7].  Movimiento Oscilatorio. En este principio se aprovecha el movimiento relativo entre las partes del dispositivo en alguno de los grados de libertad posible. Dicho movimiento está obviamente generado por el oleaje. Figura 3-4. Movimientos relativos provocados por el oleaje. Dentro de este grupo, los dispositivos pueden ser divididos por el tipo de movimiento concreto que aprovechan como se muestra a continuación: 37 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 3-5. Ejemplos de WEC oscilantes según sus movimientos relativos. Además, otros sistemas de aprovechamiento de energía undimotriz conocidos son los siguientes: Pato de Salter. Este sistema fue uno de los primeros que se construyó para extraer energía mecánica de las olas (1970), inventado por Stephen Salter. Figura 3-6.Pato de Salter . [8]. El sistema de Salter debe ser anclado al lecho marino, a unos 80 km de la costa, para que la cámara rote sobre su eje y así produzca el movimiento rotatorio mecánico que luego se convertirá en energía eléctrica. La conversión del movimiento de flote en energía elctrica se dificulta cuando las oscilaciones del mar son lentas. A pesar de ser el sistema más eficiente inventado hasta ahora, nunca ha sido implementado debido a su complejo sistema hidráulico que hace costosa y arriesgada la inversión para un sistema a plena escala. Pelamis El convertidor de energía de las olas, Pelamis, fue inventado en Escocia y consiste en cuatro cilindros articulados de 3.5 m de diámetro y 30 metros de longitud que hacen de flotadores y tres cilindros articulados de 3.5 metros de diámetro y 5 metros de longitud que son las unidades generadoras de energía. Esta estructura, con unos 140 metros de longitud total, es colocada anclada y semisumergida en aguas profundas, como se puede observar en la siguiente imagen: 38 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 3-7.Pelamis. [9]. Debido al oleaje, el sistema Pelamis realiza un movimiento serpenteante de arriba a abajo y de lado a lado. Este movimiento se transmite a un sistema hidráulico que a su vez mueve los generadores eléctricos. Cada uno de los módulos de potencia es capaz de generar 250 kW para un total de 750 kW. [7]. Los dispositivos se encuentran normalmente diseñados para aprovechar sólo uno de los movimientos, aunque existen casos, como el Pelamis, pensados para aprovechar tanto el movimiento vertical (heave) como el balanceo (sway). El cilindro oscilante de Bristol El cilindro de Bristol consiste de un cilindro flotante que recoge el movimiento de las olas. El cilindro está mecánicamente conectado a una unidad de energía mediante un sistema mecánico formado por palancas y uniones flexibles. Las uniones se mueven lentamente siguiendo el movimiento del cilindro permitiendo así la transferencia de energía al eje de la unidad convertidora. La unidad convertidora se encuentra ubicada en el lecho marino sobre la misma estructura que sirve de anclaje. En la siguiente figurase muestra el sistema cilindro de Bristol: Figura 3-8.Cilindro de Bristol. 3.2 Viabilidad técnica. A fin de justificar la viabilidad técnica de la aplicación de energía undimotriz en la desalación de agua mediante ósmosis inversa se va a estudiar el proyecto piloto de la empresa Resolute Marine Energy en Cabo Verde: Wave2OTM Cabo Verde. 39 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 3.2.1 Wave2OTM Cabo Verde. El 21 de diciembre de 2015, el Fondo de Energía Sostenible para África (SEFA), auspiciado por el Banco Africano de Desarrollo, otorgó a Cabo Verde una subvención de $ 930000 para desarrollar el primer sistema de desalación impulsado por olas del mundo. Wave2O ™, que se ubicará en Praia Grande, Cabo Verde, operará completamente sin conexión a la red y suministrará agua dulce a más de 48,000 personas a un coste competitivo. Se espera que el sistema tenga una capacidad de 4000 m3/d de agua y eliminará 5400 toneladas métricas de CO2 por año. [10]. El sitio seleccionado podría permitir una ampliación significativa del proyecto piloto de Wave2OTM en una planta de tamaño comercial (más de 20000 m3/d). Figura 3-9. Ubicación del proyecto piloto Wave2OTM: Praia Grande, Cabo Verde. Resolute Marine Energy (RME) Cabo Verde, subsidiaria de la compañía Resolute Marine de Estados Unidos, es la empresa que desarrollará el proyecto, para lo cual ha tenido en cuenta las abundantes olas de las costas de caboverdianas con las que puede operar esta tecnología de forma rentable y llevar a cabo un proyecto pionero en esta parte del mundo. El acceso de Cabo Verde a recursos hídricos sostenibles es el segundo más bajo de todos los países del África subsahariana y esta escasez constante de agua dulce crea condiciones de vida estresantes para toda la población. Figura 3-10. Escasez de agua potable en el África subsahariana. 40 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 3-11. Disponibilidad mundial de agua potable. [11]. La desalinización del agua de mar es una solución ideal para estos problemas (el 70% de la superficie de la Tierra está formada por océanos) pero es un proceso extremadamente intensivo de energía. Si bien Cabo Verde cuenta con abundantes recursos de energía renovable que incluyen energía solar, eólica y biomasa, la mayor parte de su electricidad se genera actualmente a través de combustibles fósiles importados, lo cual es costoso y ambientalmente deficiente. El exclusivo programa Wave2O™ ayudará al país a cumplir su ambicioso objetivo de reemplazar la generación de electricidad basada en combustibles fósiles con un 100% de energía renovable para 2020 y, además, mejorará el control sobre los precios de la energía. Cabo Verde representa el camino más corto hacia la comercialización porque se ha asegurado el compromiso de la empresa local de electricidad y agua, Electra, de comprar una planta Wave2OTM a gran escala después de que se hayan completado con éxito los ensayos de una planta a escala piloto. Conexión No eléctrica Estado actual Planificado Coste de la inversión 20,000.000 € Tipo Energía undimotriz País Cabo Verde Categoría RE&EE (Energía Renovable y Eficiencia Energética) Ola, océano y energía mareomotriz Tabla 3-1. Información sobre el proyecto Wave2OTM. [12]. 47 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Tabla 3-5. Coste típico de los sistemas de desalación de energía renovable. De los datos ofrecidos se deduce que: - La tecnología de desalción de energía renovable (RED) proporciona sostenibilidad y reduce la ‘huella de carbono’. - Entre los diferentes recursos de energía renovable contemplados, la energía solar es la alternativa más prometedora al combustible fósil porque es más predecible y disponible que otros recursos. - Actualmente, el coste de producir agua dulce por los sistemas RED es más alto que el de los sistemas de desalación convencionales. Sin embargo, aumentar la eficiencia y la productividad de los sistemas RED requiere mayor investigación y desarrollo para hacerlos económicamente competitivos con sistemas de desalinización convencionales. - El sistema de destilación solar (SD) es la técnica más aplicable a áreas remotas y rurales que sufren estrés hídrico y energético. El único problema con los sistemas SD es el bajo productividad que lo hace una elección costosa. Por lo tanto, se requiere una investigación adicional para mejorar el rendimiento y para aumentar la productividad de los sistemas SD.  Producción de agua dulce a partir del movimiento de las olas del océano. [16]. En este artículo se identifican algunos proyectos exitosos de producción de agua dulce mediante energía undimotriz y desalación: Delbuoy, la columna de agua oscilante en Vizhinjam, CETO Freshwater, SAROS y Odyssée. Vamos a estudiar cada uno de ellos. Delbuoy Se conoce como una planta WABRO aquella en la que un cuerpo es activado por olas, como una boya, combinado con una planta de desalinización por ósmosis inversa. Dos consideraciones específicas para un sistema WABRO son qué tipo de cuerpo activado por ola usar y qué tipo de toma de fuerza será interesante para el sistema (hidráulico o eléctrico). El primer sistema combinado conocido de energía undimotriz y desalinización fue el sistema WABRO llamado Delbuoy. Delbuoy comenzó a producir agua dulce 1982 en Puerto Rico. Se identificaron las características de los sitios y el entorno adecuados para el sistema; profundidad del agua: 15-20 m, altura de ola significativa: 0.6-1.5 m y período de energía: 3-8 s. Delbuoy consistía en una boya cilíndrica en la superficie del mar, conectada a una bomba en el fondo del océano. El tamaño del sistema hizo posible el despliegue desde un pequeño barco pesquero. El proceso de desalación fue por ósmosis inversa, produciendo 1,1 m3 de agua dulce por día. En primer lugar, el agua se prefiltró al entrar en la bomba y luego se presurizó. El agua se rectificó a través de válvulas de retención, un acumulador hidráulico estabilizó la presión y finalmente, el agua, con una presión de 5500 kPa, se desaló a través de la membrana de ósmosis inversa. El 20% del agua de alimentación se convirtió en agua dulce y el 80% se convirtió en concentrado, que fue liberado de vuelta al océano. El diseño WEC / DES fue desarrollado en la Universidad de Delaware e ISTI Delaware, Inc., con fondos del Programa Nacional Sea Grant College, y en el Departamento de Ciencias del Mar de la Universidad de Puerto Rico con fondos de USAID. Se realizaron estudios financieros, comparando el Delbuoy con un sistema RO convencional. El sistema WEC / DES fue modelado y probado antes del despliegue. - Columna de agua oscilante en Vizhinjam, India 48 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Una planta de OWCRO consiste en una columna de agua oscilante combinada con una planta de desalación de RO. Para este tipo de planta WEC / DES, la turbina y la ubicación de la planta (en tierra o en alta mar) deben considerarse. El sistema WEC / DES en Vizhinjam, Kerala, India, se muestra en la Figura 3-14, es una planta OWCRO autónoma en tierra construida en 1990 para producir agua dulce a la comunidad del puerto. El agua de mar tenía TDS (sólidos totales disueltos) de 35,000 mg / l y pH de 7.2. Tres diferentes sistemas de energía de las olas fueron considerados en la búsqueda del diseño más adecuado, lo que resulta en la construcción de una planta OWC de 3000 toneladas. Después de diferentes pruebas de turbinas, se implementó una turbina de impulso. Por otra parte, el sistema WEC consistía en un alternador, un rectificador, una batería y un inversor, generando una sola fase de 50 Hz y 230 V de tensión de CA para alimentar la planta de desalinización. La ósmosis inversa fue elegida para el proceso de desalinización, produciendo 10,000 l de agua dulce cada día con una cantidad de TDS de menos de 500 mg/l y un pH de 6.5-7.5. Antes del proceso de RO, el agua de mar se filtra por micro filtración y después del proceso, se clora y se neutraliza. El agua producida fue probada, demostrando una buena calidad. La investigación fue patrocinada por el Gobierno de la India y realizada por Wave Energy Group en el Instituto Indio de Tecnología en Chennai. Antes de la puesta en marcha, se realizaron simulaciones de Matlab y pruebas de laboratorio. Además, antes de que la planta de RO estuviera conectada a la columna de agua oscilante, ésta se probó con otras cargas para investigar su funcionalidad. Figura 3-16. WEC in Vizhinjam, India. - CETO de agua dulce. Carnegie fue la primera compañía en comercializar la desalación impulsada por energía undimotriz con su proyecto CETO freshwater, que consiste en una boya totalmente sumergida que impulsa una bomba, generando agua presurizada que se manda a la orilla. El sistema de energía de las olas se conectó a membranas de ósmosis inversa. El WEC / DES se incluyó en el Proyecto Perth, cuyo objetivo era generar energía y agua dulce para la base naval HMAS Stirling en Australia. - SAROS EcoH2O Innovations ha comercializado un sistema WABRO autónomo llamado SAROS (Sistema de Osmosis Inversa Accionado por el fondo del mar) con un enfoque en la sostenibilidad, que incluye un flotador con un péndulo conectado a un sistema hidráulico. A medida que el péndulo se mueve con el movimiento de las olas del océano, el agua de mar se presuriza y limpia a través de una membrana de ósmosis inversa, generando agua dulce. 49 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde - Odyssée El sistema Odyssée WABRO consiste en una boya conectada a una bomba de cilindro hidráulico. El movimiento de las olas se transfiere a la bomba, generando una presión para impulsar el aceite a través de un motor rotativo hidráulico, que luego se conecta a una bomba que presuriza el agua para un sistema de limpieza RO. Se concluye entonces que la energía de las olas y la desalación se pueden combinar en un sistema sostenible y autónomo, generando agua dulce a partir de las olas del océano. Sin embargo, las preguntas sobre el coste del agua producida, las variaciones en la producción de energía debido a la intermitencia y los efectos ambientales aún permanecen.  Evaluación preliminar del uso de energía de las olas en una planta desalinizadora de isla fuera de la red. [17]. Este documento analiza el uso de tecnologías de energía de las olas cercanas a la costa como una solución viable para hacer frente a la demanda de agua de una isla típica en el mar Tirreno, la isla de Ponza. Las islas están rodeadas por el mar y esto debe tomarse en consideración como una fuente de energía válida. A este fin, el presente artículo evaluará la opción de desalinización de RO para el suministro de agua dulce en la isla de Ponza. Se compararán dos escenarios con referencia al envío de agua: Escenario 1: planta de desalinización alimentada con energía de red del generador de motor diesel de la isla. Escenario 2: desalinización alimentada por energía de las olas. Los escenarios 1 y 2 están modelados mediante simulaciones transitorias basadas en pasos cada hora teniendo en cuenta la carga de agua y los datos meteorológicos y estados del mar. La comparación se lleva a cabo utilizando medidas de emisión. La demanda de agua dulce de la isla de Ponza asciende a 400000 m3 /año. En cuanto a todo el suministro de agua, alrededor de 237 barcos son necesarios para transportarla, y las emisiones correspondientes a la propulsión de los barcos mediante motores diesel serán de aproximadamente 2133 tCO2eq / año. Existe una emisión de 2.33 tCO2eq para las operaciones de carga / descarga y las emisiones anuales correspondientes son aproximadamente 552 tCO2eq / año. Concluyendo, el transporte de agua por barco implica una emisión específica de 6.71 kgCO2eq / m3. Además, el servicio de envío de agua descrito tiene un coste de 11.30 € / m3, eso significa 4520000 € / año. Para analizar los escenarios del sistema de desalinización, sin entrar en detalles de modelado, en TRNSYS se desarrollaron modelos de simulación transitorios escalonados por hora para un año de referencia añadiendo componentes internos para la unidad de desalinización por ósmosis inversa, control de agua y energía y convertidor de energía de las olas ISWEC. La planta de desalinización de RO para la isla de Ponza claramente debe tener un tamaño capaz de cubrir completamente las necesidades de agua. El sistema estará equipado con los tanques de almacenamiento de agua de 3000 m3 de capacidad global ya presentes en la isla. En la elección del tamaño se ha intentado fusionar dos aspectos esenciales pero opuestos: un número reducido de unidades y un tamaño capaz de explotar adecuadamente el aporte de energía variable de las fuentes de energía renovable. El consumo total de energía de las unidades RO aumenta a 44.93 kW. - Resultados. 50 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Escenario 1. En este escenario, aunque el objetivo de nivel de almacenamiento no es mantenido, no hay déficits hídricos y se alcanza un mínimo de aproximadamente 590 m3 de reserva. La energía requerida para producir 389350 m3 / año de agua es de 1496 MWh / año, que corresponde a 1196.80 tCO2eq / año. Figura 3-17. Caudal de producción de agua y curva del nivel de almacenamiento por horas. Escenario 2. En este escenario, la potencia requerida es entregada por DEGS en caso de déficit de energía de las olas. Por ello, los datos de producción representados en la Figura 3-17 permanecen invariables. Las unidades ISWEC deben limitarse a 8 para obtener una disminución recurrente de DEGS sin valores de energía excedente demasiado altos. Con tal número de unidades, la energía de las olas enviada al sistema de desalinización asciende a 88.89 MWh / año (es decir, 48.88% de la energía de olas generada total), con un retorno a los motores diesel de 1397.48 MWh / año correspondiente a 1117.98 tCO2 eq/año. Fiegura 3-18. a) Comparación entre la solicitud de potencia RO (Pro-req) y la energía generada por ISWEC individual (Piswec) y b) Análisis de sensibilidad en las unidades ISWEC. - Conclusión. El primer resultado es que el sistema de desalinización podrá cubrir completamente la carga de agua. Este 51 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde logro, considerando una simple planta de desalinización alimentada a la red, traerá una reducción de emisiones de CO2 equivalente del 55.44%. Los costes de desalinización del agua oscilan en el rango de 0.8-1.5 € / m3. Es evidente que, en el peor de los casos, los costes de desalinización de 1,5 € / m3, el precio del agua es 7,5 veces menor con la desalinización que con el envío, alcanzando una cantidad equivalente de agua, suponiendo un gasto anual de 600000 € en lugar de 4520000 €. Al analizar la hipótesis alimentada ISWEC-DEGS, los resultados muestran que la falta de un sistema de almacenamiento de energía influye fuertemente en la implantación de sistemas de energía renovables, llevando a una limitación necesaria del número de unidades ISWEC a 8. Sin embargo, la contribución permite reducir un 3% las emisiones de CO2, alcanzando la reducción de 58.37% con respecto al otro escenario. Como ISWEC todavía no es una tecnología muy comercial, los autores no pueden evaluar el coste final del agua cuando parte de las necesidades de energía de desalación se derivan de la explotación de la energía de las olas. Con el objetivo de obtener un sistema de desalación totalmente basado en energía undimotriz, es esencial una solución de almacenamiento. En este caso, una granja de olas compuesta por 70 unidades ISWEC, es decir, 4,2 MW de potencia nominal podrá operar completamente la planta de desalación.  Cuestiones ambientales en la desalinización por ósmosis inversa del agua de mar: admisión y expulsión. [18]. La desalinización de ósmosis inversa de agua de mar tiene algunos impactos ambientales asociados con la construcción y el funcionamiento de los sistemas de admisión y la eliminación del concentrado. El principal impacto de los sistemas convencionales de admisión de agua marina es el impacto y arrastre de organismos marinos. Estos impactos se pueden minimizar ubicando la admisión en una posición geográfica donde la productividad oceánica sea baja, además los límites de velocidad tienden a reducir los impactos al minimizar el número de peces arrastrados. La mitigación, como la restauración ambiental del hábitat o la repoblación, puede proporcionar una solución aceptable para los impactos donde éstos sean significativos. Los sistemas de admisión subsuperficiales evitan impactos de arrastre, pero pueden causar otros impactos menos importantes como el impacto visual o dificultad de acceso a la playa. La eliminación del concentrado puede tener un impacto local en los organismos que viven en el fondo marino si se permite que la descarga poco diluida fluya a través del fondo marino. Éstos se pueden minimizar mediante el uso de sistemas difusores diseñados y colocados adecuadamente basados en la corriente y el modelado del flujo. Para minimizar estos impactos, en este artículo se plantean varias opciones de admisión del agua marina como de salida de la solución salina. En las siguientes figuras se muestra algunos ejemplos. 52 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 3-19. Diagrama conceptual de un sistema de admisión de pozo inclinado. Figura 3-20. Diagrama que muestra un sistema difusor multipuerto montado en el extremo de una tubería de descarga. 53 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 4 SISTEMA DE ÓSMOSIS INVERSA. DISEÑO PRELIMINAR omo mecanismo de desalación en la planta undimotriz de Cabo Verde se elige la ósmosis inversa debido a las ventajas que presenta, ya comentadas en capítulos previos. A continuación se explica el funcionamiento de dicho mecanismo, se describen los equipos que forman parte de un sistema de ósmosis inversa además del diseño preliminar de una planta desaladora adecuada para aplicación de energías marinas. 4.1 Sistema de Ósmosis Inversa. El fenómeno de la ósmosis está basado en la búsqueda del equilibrio. Cuando se ponen en contacto dos fluidos con diferentes concentraciones de sólidos disueltos, se mezclarán hasta que la concentración sea uniforme. Si estos fluidos están separados por una membrana permeable (la cual permite el paso a su través de uno de los fluidos), el disolvente se moverá a través de la membrana será el de menor concentración, de tal forma que pasa al fluido de mayor concentración. [19]. (Estado inicial del equilibrio osmótico) Al cabo de un tiempo, el contenido en agua será mayor en uno de los lados de la membrana (sentido espontaneo de la transferencia de disolvente, estado final del equilibrio osmótico). La diferencia de altura entre ambos fluidos se conoce como Presión Osmótica. Si se utiliza una presión superior a la presión osmótica, se produce el efecto contrario. Los fluidos se presionan a través de la membrana, mientras que los sólidos disueltos quedan atrás (flujo de disolvente contrario al sentido espontáneo). Para poder purificar el agua necesitamos llevar a cabo el proceso contrario al de la ósmosis convencional, es lo que se conoce como ósmosis inversa. Se trata de un proceso con membranas. Para forzar el paso del agua que se encuentra en la corriente de salmuera a la corrente de agua con baja concentración de sal es necesario presurizar el agua a un valor superior al de la presión osmótica. Como consecuencia a este proceso la salmuera se concentrará más. C 54 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 4-1. Esquema de funcionamiento de ósmosis y ósmosis inversa. [20]. El sistema de ósmosis inversa consta de varios equipos: Figura 4-2. Esquema conceptual de un sistema de ósmosis inversa. En este sistema, el agua marina llega a las membranas a través de las bombas de alta presión, obteniendo agua permeada o de producto y agua de rechazo o salmuera a alta presión. La energía de dicho rechazo se recupera mediante un dispositivo de recuperación energética y se transmite por una bomba de recirculación o booster de nuevo hasta el bastidor de membranas. 1. HPP. La bomba de alta presión utilizada es la Danfoss Axial Piston Principle (APP) ya que estas bombas suministran alta presión de manera fiable, eficiente y a bajo coste. 55 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde En concreto, el tipo de bomba seleccionada para un caudal de entrada de unos 1000 m 3 /d es la siguiente: Tabla 4-1. Tipo de bomba de alta presión utilizada en el sistema de desalación por ósmosis inversa. [21]. 2. PEX. Intercambiador de presión o recuperador energético. En este caso, el dispositivo elegido será el Recuperador ERI-PX. La operación y el control de una unidad PX (o sistema PX en paralelo) en un sistema SWRO se puede entender considerando dos tuberías paralelas; uno de agua a alta presión y otro de agua a baja presión que fluye en direcciones opuestas. El agua a alta presión fluye en un circuito a través de las membranas, la unidad PX, la bomba de refuerzo y de vuelta a las membranas a una velocidad controlada por la bomba de refuerzo o una válvula de mariposa de alta presión. El agua a baja presión fluye desde la bomba de suministro de agua de mar y una válvula de mariposa en la descarga de salmuera desde la unidad PX. Dado que los flujos de alta y baja presión son independientes, la planta SWRO-PX debe diseñarse para la monitorización del flujo y el control de ambas corrientes. La función del rotor PX es intercambiar un volumen de salmuera presurizada de las membranas del dispositivo SWRO por un volumen igual de agua de mar filtrada. Este intercambio se realiza en un rotor que flota sobre un rodamiento hidrodinámico lubricado con salmuera. La velocidad de rotación del rotor PX está controlada por el caudal combinado de las corrientes de baja y alta presión. No hay ejes, motor o controles electrónicos en una unidad PX. 3. SWRO. Dispositivo encargado de realizar la desalación del agua de mar por ósmosis inversa, tal y como se ha explicado previamente. Para el modelado de la planta se ha diseñado el bastidor de membranas del sistema de desalación de agua de mar por ósmosis inversa con el software ROSA, cuyo funcionamiento se va a explicar brevemente a continuación. 56 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 4.1.1 Software ROSA. ROSA son las siglas de “Reverse Osmosis System Analysis” (Sistema de Análisis de Ósmosis Inversa), y se trata de una herramienta asistida por ordenador para el diseño y operación de sistemas de ósmosis inversa y nanofiltración para el tratamiento y purificación de aguas desarrollada por Dow Chemical. Al inspeccionar la ventana inicial del programa, el usuario se encontrará con que la interfaz del programa se divide principalmente en seis ventanas, a las cuales se accede mediante otras tantas pestañas situadas en su parte inferior. Figura 4-3. Situación de los botones de cabecera (azul), de las pestañas principales (rojo) y del marco exterior (verde). Pasamos a explicar brevemente los datos de entrada o “inputs” de cada pestaña principal. - Project Information (información del proyecto). En esta ventana el usuario debe seleccionar que se quiere realizar el análisis del balance con NaCl, usar como unidad de flujos, m 3/h; y de presión, bar; así como de temperatura seleccionamos los grados Celsius. - Feedwater Data (datos de agua de alimentación). En este siguiente paso, seleccionamos “Seawater with DOW Ultrafiltration, SDI < 2.5”. La temperatura del agua de alimentación será de 20ºC y el pH será igual a 7.5. Además, clicamos en la opción de “Especificar solutos individuales” y completamos la tabla con los datos relativos al agua del océano Atlántico, como se muestra en la Figura 4-5. Para terminar aseguramos que el balance de solutos resulta con valor 0.00. En caso contrario, clicamos en “Ajustar todos los iones”. 63 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑞𝑣,𝐷 ·𝑃𝐷+𝑞𝑣,𝐻 ·𝑃𝐻 𝑞𝑣,𝐵 ·𝑃𝐵+𝑞𝑣,𝐺 ·𝑃𝐺 𝑥 100 =4.16·55.2+𝑞𝑣,𝐻 ·0 𝑞𝑣,𝐻 ·1.6+4.16·54.9𝑥 100 =97 → → 𝑞𝑣,𝐻 = 5.21𝑚3 ℎ= 𝑞𝑣𝐵 𝑃𝑊,𝐻𝑃𝑃 = (𝑞𝑣,𝐹 −𝑞𝑣,𝐺 𝑚3· ℎ−1 ·3600) · (𝑃𝐹−𝑃𝑎𝑚𝑏) 𝜇𝐻𝑃𝑃 ·𝜇𝑒𝑛𝑔 =(8.16−4.16 3600 )·(55.95 𝑥105) 0.9·0.95 = 7.27 𝑘𝑊 𝑃𝑊,𝐵𝑃 =(𝑞𝑣,𝐺 𝑚3· ℎ−1 ·3600)·[0.7+(𝑃𝐹−𝑃𝐺)] 𝜇𝐵𝑃 · 𝜇𝑒𝑛𝑔 = (4.16 3600)·[0.7+(55.95 𝑥105−54.9 𝑥105)] 0.75·0.93 = 0.174 𝑘𝑊 𝑃𝑊,𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑊,𝐻𝑃𝑃 + 𝑃𝑊,𝐵𝑃 = 7.27+0.174 = 7.44 𝑘𝑊 𝑆𝐸𝐶 = 𝑃𝑊,𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑞𝑣,𝑝𝑒𝑟𝑚 = 7.44 𝑘𝑊 4𝑚3 ℎ = 1.86𝑘𝑊ℎ 𝑚3  Caso 2. Caudal de alimentación al 75%. Datos conocidos Tsw ρsw Eficiencia ERI-PX μHPP μBP HPDP LPDP 20ºC 1027.8 kg/m3 97% 90% 75% 0.65 bar 0.55 bar qv,F PF qv,G PG qv,I PI PH 6.12 m3/h 55.95 bar 2.96 m3/h 55.3 bar 3.16 m3/h 0 bar 0 bar Tabla 4-3. Datos conocidos para el cálculo de la recuperación energética y SEC operando con un 75% de caudal de alimentación en la instalación. Vamos a calcular el SEC neto para este segundo caso: 𝐻𝑃𝐷𝑃 = 𝑃𝐺−𝑃𝐷= 0.65 → 𝑃𝐷= 55.65 𝑏𝑎𝑟 𝐿𝑃𝐷𝑃 = 𝑃𝐵−𝑃𝐻= 0.55 → 𝑃𝐵= 1.55 𝑏𝑎𝑟 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑞𝑣,𝐷 ·𝑃𝐷+𝑞𝑣,𝐻 ·𝑃𝐻 𝑞𝑣,𝐵 ·𝑃𝐵+𝑞𝑣,𝐺 ·𝑃𝐺 𝑥 100 =2.96·55.65+𝑞𝑣,𝐻 ·0 𝑞𝑣,𝐻 ·1.55+2.96·55.3𝑥 100 =97 → → 𝑞𝑣,𝐻 = 4.55𝑚3 ℎ= 𝑞𝑣𝐵 64 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 𝑃𝑊,𝐻𝑃𝑃 = (𝑞𝑣,𝐹 −𝑞𝑣,𝐺 𝑚3· ℎ−1 ·3600) · (𝑃𝐹−𝑃𝑎𝑚𝑏) 𝜇𝐻𝑃𝑃 ·𝜇𝑒𝑛𝑔 =(6.12−2.96 3600 )·(55.95 𝑥105) 0.9·0.95 = 5.74 𝑘𝑊 𝑃𝑊,𝐵𝑃 =(𝑞𝑣,𝐺 𝑚3· ℎ−1 ·3600)·[0.7+(𝑃𝐹−𝑃𝐺)] 𝜇𝐵𝑃 · 𝜇𝑒𝑛𝑔 = (2.96 3600)·[0.7+(55.95 𝑥105−55.3 𝑥105)] 0.75·0.93 = 0.077 𝑘𝑊 𝑃𝑊,𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑊,𝐻𝑃𝑃 + 𝑃𝑊,𝐵𝑃 = 5.74 + 0.077 = 5.82 𝑘𝑊 𝑆𝐸𝐶 = 𝑃𝑊,𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑞𝑣,𝑝𝑒𝑟𝑚 = 5.82 𝑘𝑊 3.16𝑚3 ℎ = 1.84𝑘𝑊ℎ 𝑚3  Caso 3. Caudal de alimentación al 50%. Datos conocidos Tsw ρsw Eficiencia ERI-PX μHPP μBP HPDP LPDP 20ºC 1027.8 kg/m3 97% 90% 75% 0.58 bar 0.5 bar qv,F PF qv,G PG qv,I PI PH 4.08 m3/h 55.95 bar 1.87 m3/h 55.62 bar 2.21 m3/h 0 bar 0 bar Tabla 4-4. Datos conocidos para el cálculo de la recuperación energética y SEC operando con un 50% de caudal de alimentación en la instalación. Se calcula el SEC neto para este tercer caso: 𝐻𝑃𝐷𝑃 = 𝑃𝐺−𝑃𝐷= 0.58 → 𝑃𝐷=55.04 𝑏𝑎𝑟 𝐿𝑃𝐷𝑃 = 𝑃𝐵−𝑃𝐻= 0.5 → 𝑃𝐵= 1.5 𝑏𝑎𝑟 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑞𝑣,𝐷 ·𝑃𝐷+𝑞𝑣,𝐻 ·𝑃𝐻 𝑞𝑣,𝐵 ·𝑃𝐵+𝑞𝑣,𝐺 ·𝑃𝐺 𝑥 100 =1.87·55.04+𝑞𝑣,𝐻 ·0 𝑞𝑣,𝐻 ·1.5+1.87·55.62𝑥 100 =97 → → 𝑞𝑣,𝐻 = 1.4 𝑚3 ℎ= 𝑞𝑣𝐵 𝑃𝑊,𝐻𝑃𝑃 = (𝑞𝑣,𝐹 −𝑞𝑣,𝐺 𝑚3· ℎ−1 ·3600) · (𝑃𝐹−𝑃𝑎𝑚𝑏) 𝜇𝐻𝑃𝑃 ·𝜇𝑒𝑛𝑔 =(4.08−1.87 3600 )·(55.95 𝑥105) 0.9·0.95 = 4.017 𝑘𝑊 65 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 𝑃𝑊,𝐵𝑃 =(𝑞𝑣,𝐺 𝑚3· ℎ−1 ·3600)·[0.7+(𝑃𝐹−𝑃𝐺)] 𝜇𝐵𝑃 · 𝜇𝑒𝑛𝑔 = (1.87 3600)·[0.7+(55.95 𝑥105−55.62 𝑥105)] 0.75·0.93 = 0.024 𝑘𝑊 𝑃𝑊,𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑊,𝐻𝑃𝑃 + 𝑃𝑊,𝐵𝑃 = 4.017+0.024 = 4.04 𝑘𝑊 𝑆𝐸𝐶 = 𝑃𝑊,𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑞𝑣,𝑝𝑒𝑟𝑚 = 4.04 𝑘𝑊 2.21𝑚3 ℎ = 1.82𝑘𝑊ℎ 𝑚3 4.3 Resultados y comparación. A continuación se muestran los resultados de los cálculos previos para los casos de operación al 100%, 75% y 50% de caudal de alimentación de agua de mar. Caudal de alimentación SEC Bruto (ROSA) (kWh/m3) SEC Neto (Con recuperación energética) (kWh/m3) Permeate TDS (mg/l) Boro (mg/l) Al 100% 3.55 1.86 332.34 1.57 Al 75% 3.37 1.84 439.1 1.81 Al 50% 3.21 1.82 651.39 2.12 Tabla 4-5. Resultados de los cáculos del SEC bruto (ROSA, sin recuperación energética) y del SEC neto (con recuperación energética), así como de la calidad del agua producto para distintos casos de operación a carga parcial. Se puede observar que, dado que la calidad del agua permeada comienza a verse afectada para valores bajos de caudal de alimentación, no conviene disminuir la capacidad del sistema más de un 50%. Por ello, para el dimensionado del sistema de desalación por ósmosis inversa impulsado por energía undimotriz nos moveremos en el rango de operación entre el 50% y 100% del qvF. Los parámetros necesarios para realizar tal interconexión con el sistema de propulsión por energía undimotriz son los siguientes: 66 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Caudal de alimentación Recovery rate (%) qvI (m3/h) Permeate TDS (mg/l) Boro (mg/l) SEC neto (kWh/m3) Average Flux (l/m2/h) Al 100% 49 4 332.34 1.57 1.86 13.98 Al 75% 51.59 3.16 439.1 1.81 1.84 11.03 Al 50% 54.26 2.21 651.39 2.12 1.82 7.74 Tabla 4-6. Parámetros necesarios para interconectar el SWRO con el sistema de energía undimotriz. El caso 3 (50%*Feed Flux) no cumple las normativas de consumo humano, por ello se tomará como hipótesis que las horas de operación al 50% de caudal de alimentación son tales que siempre se cumple la normativa de calidad que rige que el valor de Permeate TDS debe ser menor que 500 ppm y que la cantidad de Boro es menor que 2 mg/l. 67 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 5. DIMENSIONADO DEL SISTEMA DE DESALACIÓN AUTÓNOMO ALIMENTADO CON ENERGÍA UNDIMOTRIZ ara la interconexión del sistema SWRO con el sistema de energía undimotriz nos basamos en el estudio realizado por Alessandro Corsini et al (2015) en el artículo científico comentado por su relevancia en el apartado 3.3 del capítulo 3. En los siguientes apartados se explicará en detalle qué hipótesis se han realizado y se procederá al posterior dimensionado del sistema. 5.1 Definición del sistema. En el artículo previamente mencionado, se toma la opción de desalación por RO para el suministro de agua dulce en la isla de Ponza evaluando como alimentación del sistema dos opciones distintas: el uso únicamente de la energía de red del generador de motor diesel de la isla y el aprovechamiento de energía de las olas de la costa de la isla para suministrar parte de la energía necesaria para alimentar el sistema de desalación. Para el dimensionado del sistema de desalación de agua de mar por ósmosis inversa de Cabo Verde se realiza una aplicación de lo que nos enseña el artículo de Corsini et al. En las dos siguientes gráficas se puede observar cómo varía el caudal de producción de agua y el nivel de almacenamiento por horas. P 68 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 3-17 (bis). Caudal de producción de agua y curva del nivel de almacenamiento por horas. De esta Figura podemos hacer unas aproximaciones de cúantas horas al año funcionaría nuestro sistema de unidades WEC al 100% de capacidad, al 75% y al 50%. Además, en las siguientes gráficas, se muestra la comparación entre la demanda de potencia del sistema de desalación SWRO y la energía generada por cada WEC; y un análisis de sensibilidad en las unidades WEC. Figura 3-18 (bis). Comparación entre la solicitud de potencia RO (Pro-req) y la energía generada por ISWEC individual (Piswec) y b) Análisis de sensibilidad en las unidades ISWEC Se puede observar que cada WEC genera 50 kW de potencia. Puesto que las unidades WEC deben limitarse a 8 según el artículo para obtener una disminución del consumo sin valores de energía excedente demasiado altos, la potencia total que pueden generar los WEC asciende a 400 kW. De este modo, si el sistema se encuentra al 100% de capacidad, generará 400 kW; si está al 75% de capacidad, se generará 300 kW y si está al 50%, 200 kW. Tenemos, entonces, 3 casos distintos para cada sistema por separado: Caso 1: (SWRO al 50% de qVF) Caso A: (PWEC al 50%) Caso 2: (SWRO al 75% de qVF) Caso B: (PWEC al 75%) 69 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Caso 3: (SWRO al 100% de qVF) Caso C: (PWEC al 100%) El objetivo del dimensionado de la instalación es interconectar los sistemas otorgándole a cada situación, un tipo de comportamiento. Para ello, se realizan los cálculos mostrados en la siguiente sección. Los recursos de energía undimotriz de CaboVerde se sitúan entre 15-20 kW/m mientras que en las costas italianas de la isla de Ponza se tiene en torno a 5 kW/m. Esta isla está localizada cernaca a la costa del continente, entre Nápoles y Roma (ver Fig.2-3). Por tanto realizamos hipótesis de recursos más favorables que Ponza. Consideramos la referencia [23] -ver pág. 20-, donde se consideran 2200 h anuales de operación anual a potencia nominal. 5.2. Cálculos e hipótesis realizadas. Para una más clara comprensión y visualización de los datos utilizados del análisis llevado a cabo por Corsini en el artículo, los posteriores cálculos realizados y las decisiones tomadas, se ha usado un fichero Excel en el que se pueden distinguir por colores todos esos aspectos. En blanco: hipótesis obtenidas del artículo de Corsini y datos asumidos. En amarillo: datos tomados de ROSA y cálculos (a mano) del SEC neto. En naranja: decisiones tomadas razonadamente. En celeste: cálculos de Excel. Figura 5-1. Dimensionado instalación SWRO + Energía undimotriz. A partir de las hipótesis que obtenemos del artículo científico (número de unidades WEC y su potencia unitaria respectiva, así como número de horas en las que se opera en cada caso dado), se han realizado los cálculos de potencia demandada y generada, del SEC total y del caudal de permeado que se genera en la planta para conseguir el valor de la producción anual de la instalación para cada caso de operación a carga parcial. De esta forma se ha obtenido un valor del 77% de producción anual; valor que denota una productividad muy satisfactoria. 70 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde 6. ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD Y OTRAS LOCALIZACIONES a parte más importante de todo modelo es la posibilidad de aplicación a otros ámbitos. En nuestro caso, el modelo utilizado para el dimensionado de la instalación de desalación por ósmosis inversa impulsada con energía undimotriz en Cabo Verde, se puede aplicar en otras localizaciones geográficas con distinto número de horas anuales de operación a cargas parciales y total, así como para instalaciones con diferente número de unidades WEC. En la siguiente sección se muestra un análisis de sensibilidad en el que se puede observar un caso más favorable y otro más desfavorable con respecto al analizado en el capítulo 5. 6.1. Análisis de sensibilidad. A continuación se analizan dos localizaciones geográficas diferentes. - Localización 1: caso más favorable. h/año de operación Nº de unidades WEC Caso A (50%*Pw WEC) 4560 9 Caso B (75%*Pw WEC) 1300 Caso C (100%*Pw WEC) 2900 Siguiendo la leyenda de colores explicada en el capítulo 5, se muestra a continuación el fichero Excel para la localización 1. L 71 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Figura 6-1. Aplicación a localización y configuración más favorable. Como se puede observar, en esta localización identificada por esas h/año de operación para cada caso dado, al añadir una unidad WEC más, la Pw WEC de la instalación asciende, por lo que la planta tiende a operar más tiempo al 100% de su capacidad, lo que conlleva una mejor productividad anual. - Localización 2: caso más desfavorable. h/año de operación Nº de unidades WEC Caso A (50%*Pw WEC) 4600 6 Caso B (75%*Pw WEC) 1260 Caso C (100%*Pw WEC) 2900 Siguiendo la leyenda de colores explicada en el capítulo 5, se muestra a continuación el fichero Excel para la localización 1. Figura 6-2. Aplicación a localización y configuración más desfavorable. 72 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Para esta localización concreta, al disminuir las unidades WEC, se reduce la Pw WEC de la planta, por lo que las horas de operación anuales a cargas parciales aumentan, lo que lleva a una disminución de la producción al año en la instalación. 79 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde ANEXOS NOTA. Se detectó un error en los cálculos realizados mediante el software ROSA durante la realización de las simulaciones en los valores mostrados en los Detail Report de la energía específica y la potencia. Para la obtención de los valores correctos se procedió a calcularlos a mano y posteriormente se usaron estos valores ya correctos en todo lo que proseguía. Los valores correctos son los siguientes: Correcciones de los datos de potencia (kW) y SEC (kWh/m3) de ROSA 100%*qv,F 14,18 kW 3,54 kWh/m3 75%* qv,F 10,63 kW 3,37 kWh/m3 50%* qv,F 7,09 kW 3,21 kWh/m3 Captura del Detail Report de ROSA para el caso de operación de la instalación al 50%*qv,F 80 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Captura del Detail Report de ROSA para el caso de operación de la instalación al 75%*qv,F 81 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde Captura del Detail Report de ROSA para el caso de operación de la instalación al 100%*qv,F 82 Desalación por ósmosis inversa mediante energías marinas: aplicación a Cabo Verde