Desalación de agua de mar basado en microturbina de gas solar: Evaluación de costes

1 Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Desalación de agua de mar basado en microturbina de gas solar: Evaluación de costes Autor: Santiago Benítez Cortijo Tutores: Lourdes García Rodríguez y Germán López Lara Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales 2 3 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Desalación de agua de mar basado en microturbina de gas solar: Evaluación de costes Autor: Santiago Benítez Cortijo Tutores: Lourdes García Rodríguez y Germán López Lara Catedrática de Máquinas y Motores Térmicos Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Trabajo de Fin de Grado: Estudio económico de plantas de desalación de ósmosis inversa mediante microturbina de gas solar 4 Autor: Santiago Benítez Cortijo Tutores: Lourdes García Rodríguez y Germán López Lara El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: 5 A mis padres. 6 Resumen En este proyecto se trata el estudio de la viabilidad económica de las plantas de desalación mediantes empleo de microturbina solar y su posible acoplamiento a un sistema de ósmosis inversa para desalación de agua de mar, además de empleo de otros tipos de energía para su uso. En el estudio de los costes de agua nos dan valores de alrededor de 4,4 €/m3 que es razonable y lo que se estima esperado ya que los valores mínimos obtenidos en aplicaciones eólicas de gran capacidad en lugares muy favorables son de 1,2-1,8 €/m3 que hace viable nuestro proyecto de planta en cada una de las Ubicaciones, como veremos en nuestro proyecto. Aunque la OI está muy desarrollada, todavía hay oportunidades para reducir aún más el consumo de energía. Estas oportunidades incluyen: reducción de la incrustación a través del tratamiento previo. El desarrollo de membranas más resistentes al ensuciamiento y a los depósitos de sales; el desarrollo de membranas de alto flujo, es decir, alta permeabilidad que permitan reducir la presión de operación; el desarrollo de membranas resistentes a los oxidantes; la mejora de la configuración mecánica de los módulos de membrana y el diseño de su sistema. Desarrollo de diseños de sistemas. Para el desarrollo del proyecto se ha realizado un modelo matemático con la herramienta Excel, la cual hemos realizado nuestro estudio en función de la localización y los casos que hemos realizado para determinar el coste del agua que podríamos tener para esta tecnología para ver su viabilidad. 7 Índice Índice de tablas Índice de figuras 1. Introducción 2. Generalidades desalación 2.1 Evolución de las tecnologías de desalación 2.1.1 Procesos térmicos 2.1.2 Tecnologías de membranas (Ósmosis inversa) 2.1.3 Desalación solar 2.2 Uso de la desalación a nivel mundial 3. Tecnologías de ósmosis inversa 3.1 Proceso de ósmosis inversa 3.2. Configuraciones de membrana: Configuración de arrollamiento en espiral 3.3 Dispositivos recuperadores de la energía del concentrado 3.4 Energía aportada mediante microturbina de gas solar 3.5 Parámetros de operación del bastidor de membranas de OI (Flujo de agua) 3.6. Sistemas de tratamiento físico 3.6.1 Sistemas de desbaste y tamizado 3.6.2. Sistemas de filtración sobre cartuchos 3. 6.3. Sistemas de ultrafiltración 8 3.7 Sistemas de tratamientos químicos 3.7.1 Coagulación 3.7.2 Floculación 3.7.3 Pretratamiento coagulación-floculación en ósmosis inversa 3.7.4 Desinfección 3.7.5 Regulación del pH 3.7.6 Antiincrustantes 3.8 Parámetros que afectan a los procesos de ósmosis inversa 3.8.1. Polarización 3.8.2 Ensuciamiento de la membrana 3.8.2.1 Ensuciamiento coloidal 3.8.2.2 Ensuciamiento orgánico y biológico 4. Membranas de ósmosis inversa 4.1 Membranas LG NanoH2O 4.1.1 LG Chem lidera el camino en tecnología de membrana 4.1.2 Ventajas membranas LG NanoH2O 4.2 Toray (TM280A-370) 4.3 SWC6 – 4040 4.4 Dow-Filmtec-SW30HRLE-440i 5. Cálculo de costes de la desalación por ósmosis inversa mediante SMTG 5.1 Análisis costos desalación por ósmosis inversa 5.1.1 Literatura sobre revisiones de costos de desalación y correlaciones. 5.1.1.1. Metodologías para el cálculo de los costos de desalación - Indicadores de evaluación de inversiones - Revisión de metodologías utilizadas para calcular los costos de desalación. - Ejemplo de caso práctico: Aplicación a Brasil 5.1.1.2. Costos de equipos 5.1.1.3. Otros costos de capital 5.1.1.4. Energía 5.1.1.5. Otros costos operativos 5.1.1.6. Producción de agua (Mw, t) 5.1.1.7. Tasa de descuento (i) 5.2 Cálculo del consumo energético del sistema de desalación: RESULTADOS DEL SOFTWARE (LG NanoH2O) 9 5.3. Escenario de diversos países en cuanto a salarios y costes financieros 5.4 Comportamiento de la microturbina de gas solar (SMGT) 5.5 Evaluación de costes de la desalación de agua de mar mediante SMGT 5.5.1. Costes de capital 5.5.2. Costes de operación 5.5.3. Costes de agua 6. Conclusiones Referencias 16 1. INTRODUCCIÓN ste trabajo aborda una tecnología novedosa, de la cual no existe aún ningún prototipo completo implementado con la finalidad de realizar una primera valoración de costes. Se trata de un sistema de desalación por ósmosis inversa alimentado por la electricidad producida por una microturbina de gas solar. El principal objetivo del trabajo es realizar un estudio económico preliminar en distintas localizaciones geográficas. La metodología aplicada es la siguiente:  Se utiliza la base de datos de recursos solares METEONORM para obtener archivos Excel que permitirán el cálculo de horas anuales de operación de la microturbina de gas solar.  Una vez comprendida y descritas las tecnologías que se tratan en esta memoria, se realiza una revisión bibliográfica de los procedimientos utilizados en la literatura para valorar los costes del agua desalada.  Finalmente se implementa la herramienta de cálculo, se aplican a diversas localizaciones geográficas y se obtienen resultados y conclusiones útiles para valorar el uso de la desalación mediante microturbina de gas solar en sistemas de pequeña potencia conectados a red. E 17 2. GENERALIDADES DESALACIÓN a desalación debe ser considerada como una opción más de la planificación hidrológica, se trata la desalación de una tecnología de tratamiento de aguas que permite incorporar como agua potable recursos no aprovechables de otro modo (aguas salobres o de mar) 2.1 Evolución de las tecnologías de desalación 2.1.1 Procesos térmicos Los procesos térmicos llevan en uso desde hace miles de años; se realizaba por medio de la evaporación del agua de mar y su posterior condensación para obtener agua dulce. Las tecnologías térmicas de desalación eran las que mayor capacidad instalada poseían hace décadas. Algunas de las ventajas que presentaban los procesos térmicos eran los siguientes: - Tecnologías adecuadas para alimentaciones con alto contenido en sales - Presentan robustez en su operación - Permiten un fácil acoplamiento con plantas de potencia, dando lugar a la cogeneración. 2.1.2 Tecnologías de membranas (Ósmosis inversa) En 1886, fue van’t Hoff quien desarrolló e investigó sobre el uso de la ósmosis inversa (OI). Sin embargo, este tipo de fenómeno apenas tiene relativamente poco tiempo de uso, ya que fue en los años 50 del siglo XX cuando se desarrollaron los primeros ensayos de ósmosis inversa con membranas de acetato de celulosa. La primera planta de gran escala con este tipo de tecnología fue en la década de los 80. Actualmente, lo que se busca es la optimización y la reducción de costes en las plantas implementadas con ósmosis inversa. Emplean este tipo de tecnología, basada en la separación del disolvente a través de una membrana semipermeable. El diseño específico de cada planta se ajusta a la calidad del agua de alimentación y a la calidad exigida por el uso al que se vaya a destinar. Uno de los puntos clave de la ósmosis inversa es que necesita un pretratamiento adecuado para maximizar la vida útil de las membranas. Se han obtenido grandes avances en la reducción de los consumos energéticos en estos años, siendo actualmente el consumo principal aproximadamente de 2 kWh/m3 producido para el agua de mar en condiciones de Canarias. En la siguiente gráfica (Figura 2.1) vemos la evolución de las tecnologías de desalación de agua de mar implementada, donde podemos contemplar la tendencia en los últimos años (esta gráfica llega hasta el año 2015). L 18 Figura 2.1 Capacidad instalada mundial de desalación. La ósmosis inversa ha superado a los procesos térmicos, incluso tomando un repunte mucho mayor en la última década hasta la actualidad. En la siguiente gráfica (Figura 2.2) podemos ver los distintos sistemas de desalación que se emplean según el contenido de sales del agua de alimentación para aplicar estas tecnologías. Figura 2.2 Contenido en sales agua alimentación (mg/l). En este apartado hemos tomado de referencia las diapositivas que tenemos de la asignatura de 4º de Tratamiento de aguas (GITI). 2.1.3 Desalación solar Esta sección analiza la desalación solar, siendo la tecnología solar fotovoltaica / OI la tecnología competidora de la desalación mediante microturbina de gas solar, analizada en este trabajo. En este apartado se resumen los aspectos más relevantes del trabajo de revisión publicado por Buenaventura y García- Rodríguez (2018). La tecnología fotovoltaica conectada a un sistema de OI es comercial desde los años 90 del siglo XX. Como ejemplo, el Instituto Tecnológico de Canarias (ITC, España) desarrolló un sistema aislado de la red, disponible hasta 100 m3/d de capacidad nominal. La energía fotovoltaica podría competir con la energía convencional en casos específicos debido a la larga distancia a la red eléctrica. Los sistemas de OI alimentados por campos fotovoltaicos normalmente incluyen baterías. Este concepto consiste en diseñar la planta de OI con la capacidad de ajustar la entrada de energía variable, minimizando así los requisitos de la batería para su uso. 19 La desalación de agua solar a la menor escala de la demanda de agua dulce más adecuada en casos de baja concentración de agua salobre es la electrodiálisis solar fotovoltaica (ED). Se han implementado varias plantas piloto de sistemas ED conectados a células fotovoltaicas mediante baterías. En las áreas remotas, los requisitos de mantenimiento y suministro de productos químicos se deben tener en cuenta en la primera etapa de la selección del proceso, siendo la tecnología solar de ED más adecuada para el agua salobre que la OI solar. Este tipo de plantas incluso podrían operarse de forma discontinua, permitiendo así una operación simple sin baterías. Esta es una importante ventaja en comparación con el agua salobre OI en caso de pequeñas demandas de agua dulce que hemos obtenido en [3]. Cuando se piensa en una planta de OI alimentada por una planta solar, la demanda de energía se define por la planta de desalación. Las plantas de desalación están diseñadas típicamente para funcionar al 100% de su capacidad las 24 horas del día y tratando de maximizar la disponibilidad de la planta para reducir el costo por m3 de agua de producto. Por lo tanto, el perfil de producción de energía discontinua de una planta de energía solar no coincide con el funcionamiento óptimo de una planta de desalación durante las 24 horas del día. En este punto es necesario tomar una decisión sobre el concepto de desalación solar. En desalación a gran escala, otro concepto relacionado es la producción de agua distribuida, que es inherente a la gestión del suministro de agua. A veces la población se distribuye a lo largo de la costa con un patrón y una orografía que hacen la opción más adecuada para implementar dos plantas de desalación diferentes en lugar de una. Además, hay que tener en cuenta que a veces la mejor ubicación de la nueva planta de OI estará junto a la planta de producción de energía convencional existente. Con carácter general, las principales conclusiones señaladas con respecto a las soluciones viables para un mercado potencial de desalación con energía solar térmica a partir del análisis realizado son las siguientes según [3]: - Los sistemas de destilación por membrana, cuando estén completamente desarrollados, tendrán oportunidades de mercado en sistemas de desalación de agua de mar de muy pequeña capacidad. El principal inconveniente son los requisitos del uso de un cierto caudal adicional de agua de mar de refrigeración como cualquier otra tecnología de destilación. De lo contrario, se obtiene un bajo porcentaje de extracción de disolvente en el proceso de desalación. - Los procesos de destilación convencionales, la destilación multiefecto y la destilación flas multietapa muestran un consumo de energía solar demasiado alto como para competir con la ósmosis inversa solar para la desalación del agua de mar. Por lo tanto, también se rechaza la integración de procesos de destilación en plantas de potencia solares basadas en ciclos de Rankine. - Los únicos sistemas independientes con oportunidades de mercado de hasta 20.000 m3/d se basan en ósmosis inversa consumiendo electricidad aportada por:  Ciclos orgánicos de Rankine alimentados por captadores solares de concentración.  Discos parabólicos con microturbina de gas, que son concentradores solares en forma de paraboloide de revolución en cuyo foco puntual se coloca una micro turbina de gas. Son útiles en caso de una demanda limitada de agua. Una sola unidad podría producir aproximadamente 10 m3/h de agua dulce a partir de agua de mar. En plantas de energía solar térmica autónomas, en comparación con las plantas de desalación solar con respaldo de energía convencional, se requiere aproximadamente el doble tamaño del campo solar que la demanda nominal de la planta de desalación. Además se precisaría aproximadamente capacidad nominal de la planta de desalación doble de la demanda de agua diaria, dado que operaría aproximadamente 12 h / d. Por lo tanto, el diseño de la planta de desalación solar sin respaldo de energía convencional resulta en un aumento significativo del costo de capital. Además, la operación y el mantenimiento también se incrementan debido a la operación discontinua de la planta de desalación. La principal ventaja de ambas opciones, uso de solar térmica en comparación con la desalación PV-OI es el posible uso del almacenamiento térmico en lugar de las baterías. Si es posible, se recomienda utilizar la red eléctrica como respaldo de energía. Las calderas alimentadas con combustibles fósiles no se recomiendan como respaldo energético de los ciclos de Rankine orgánicos. Debe también considerarse que las micro turbinas de gas solares tienen la ventaja de la disponibilidad de rechazo de calor, que permite el concepto evaporar el 20 concentrado logrando descarga de líquido nula (ZLD). Esta característica singular puede aportar un valor económico adicional a esta tecnología [3]. 2.2 Uso de la desalación a nivel mundial En la presentación de Francisco Virgili (2016) podemos ver en la figura 2.3 la mayor parte de esta capacidad mundial de desalación instalada va enfocada al agua de mar, suponiendo en este caso cerca del 75% para este tipo de aguas. Viendo que la mayor parte de los esfuerzos va orientada a ello, abajo de la gráfica vemos los distintos tamaños que podemos emplear en función de las capacidades que puedan trabajar. Figura 2.3 Capacidad de desalación de agua de mar instalada Con respecto al inventario mundial de plantas de 2016 y 2015 de la IDA (International Desalination Asociation) (29th Inventory con 28th Inventory de la figura 2.3), el tamaño aumenta más de un 40% en así como la capacidad que ha aumentado más de un 20%. Todos estos datos se obtienen a partir de valores del año 2016. En [2] podemos ver en la figura 2.4, el porcentaje de los últimos años de las plantas para agua de mar supone algo más del 50% formadas por las pequeñas aunque su capacidad es más pequeña comparadas con las de mayor tamaño. 21 Figura 2.4 Capacidad/Números plantas de desalación de agua de mar instaladas De hecho las de mayor tamaño va aumentando su presencia con algo más del 10%, dando lugar a una capacidad de cerca del 90% del agua que estamos tratando, tanto es así que su capacidad acapara la del resto de plantas. Entre las fuentes de energía analizadas en [2], el gas natural se destaca como la fuente más viable para los procesos de desalación. Su costo para satisfacer las necesidades energéticas de la planta de OI fue el más bajo. Además, se considera una fuente de bajo impacto ambiental; Sus reservas están ubicadas en la costa donde se encuentra una mayor demanda de agua potable, lo que representa una mayor facilidad para utilizar el agua de mar. La desalación puede llegar a ser de gran importancia para el desarrollo de la matriz hídrica del país que vayamos a tratar, ya que presenta el potencial para suministrar agua a poblaciones y diversos sectores que actualmente enfrentan problemas relacionados con la disponibilidad de agua, apoyando el desarrollo más sostenible. 22 3. TECNOLOGÍA DE ÓSMOSIS INVERSA 3.1 Proceso de ósmosis inversa A partir de la información proporcionada por Lourdes García-Rodríguez sobre ecuaciones de transporte, en el proceso de ósmosis inversa funciona de forma que el flujo de disolvente contrario al sentido espontáneo debido a la aplicación de una presión externa, tal como se observa en la siguiente figura: Figura 3.1 Flujo disolvente sistema ósmosis inversa Según [4] el proceso se inicia debido a que inicialmente la fuerza motriz del proceso (NDP, Net Driving Pressure) es positivo – ver la correspondiente expresión en la anterior figura. La situación final de la figura 3.1 donde el disolvente puro y disolución están separados por una membrana semipermeable al disolvente A con diferencia de presiones manifestada por una diferencia de alturas menor que la inicial, así tiene lugar el equilibrio osmótico. Pudiendo ver en la siguiente figura 3.2 las situaciones iniciales y finales con las que nos encontramos en el proceso espontáneo de transferencia de disolvente, llamado ósmosis directa, correspondiente al valor de la definición de NDP negativa. Figura 3.2 Situaciones iniciales/finales ósmosis directa Los siguientes subapartados describen los principales elementos del núcleo productico de una planta de OI. La alimentación es presurizada para lograr que se produzca el proceso de OI en las membranas. A su salida se forma el permeado (producto) y queda un flujo de concentrado que no ha atravesado la membrana. La presión del concentrado es algo inferior a la de la alimentación a la entrada del llamado bastidor de membranas. Por tanto, en desalación de agua de mar siempre se utilizan dispositivos de recuperación de la energía del concentrado con el objetivo de minimizar el consumo energético de la planta. (1) (2) 23 3.2. Configuraciones de membrana: Configuración de arrollamiento en espiral La configuración más empleada según [1] para los módulos de membranas del proceso de ósmosis inversa es el de arrollamiento en espiral (ver figura 3.3), ya que otras que hemos buscado e investigado están en desuso, y esta es la única empleada actualmente. Varios de estos módulos 7-8 se instalan en serie ensamblados en el interior de un cilindro denominado tubo de presión. Figura 3.3 Configuración arrollamiento en espiral 3.3 Dispositivos recuperadores de la energía del concentrado Algunos ejemplos representativos de los que nos podemos encontrar en el mercado de los dispositivos que aprovechan la energía del concentrado a la salida del bastidor de membranas de ósmosis inversa son: • AT Turbocharger (Advanced Turbo): Según [5] es una solución flexible que simplifica el sistema de desalación OI y mantiene su fiabilidad operativa. Se instalan en serie con la bomba de alta presión, a la salida de esta, reduciendo así la presión de salida de esta bomba. • ERI-PX – ver figura 3.4 -: Según [5] es una solución de recuperación de energía de bajo costo y alto rendimiento para sistemas de desalación de OI que reduce el caudal que atraviesa las bombas de alta presión, minimizando el consumo de energía. Se instalan en paralelo con la bomba de alta presión y requieren la instalación de una pequeña bomba de circulación a la salida. Este tipo de dispositivos se denominan cámaras isobáricas y se instalan varias unidades en paralelo según se aprecia en la figura para evitar pulsación. Figura 3.4 Tecnología de ósmosis inversa con recuperación energética basada en cámara isobárica (ERI PX) 24 • Turbocharger ERI (LPT): Según [5] es una solución de recuperación de energía de bajo costo y alto rendimiento para sistemas de desalación de OI de baja presión utilizados en el caso de desalación de agua salobre, minimizando el consumo de energía. Este dispositivo ofrece muchos beneficios, que incluyen un tamaño compacto, fiabilidad y durabilidad a largo plazo. El turbocharger LPT ofrece a los operadores las ventajas del aumento de presión de baja presión entre etapas para equilibrar el flujo entre etapas. Se instala como [5] muestra la figura 3.5 en los sistemas de ósmosis inversa de múltiples etapas, logrando la recuperación de energía a un precio asequible. Figura 3.5 Etapas procesos energéticos/alta presión en bomba/turbocharger.  DANFOSS i-Save: Según [6] el iSave de Danfoss es un dispositivo de recuperación de energía (ERD, por sus siglas en inglés) patentado y sumamente eficiente que garantiza la alimentación de membrana en los sistemas de ósmosis inversa de agua de mar de cualquier tamaño, ya sea en aplicaciones en tierra, mar o portátiles. Con una eficiencia de hasta el 92 %, el iSave de Danfoss recupera la energía de presión del caudal de rechazo de la membrana y la transfiere directamente al caudal de alimentación de la membrana. Figura 3.6 Gráfica funcionamiento tecnología iSave Danfoss según [4] Disponible en tamaños que van de los 21 m3/h a los 70 m3/h, el iSave de Danfoss es el primer dispositivo de recuperación energética del mercado que combina el dispositivo rotativo, una bomba booster de alta presión y un motor eléctrico en una única solución 3 en 1 completamente integrada y de fácil manejo. 25 La bomba APP (Axial Piston Pump) de Danfoss es el complemento perfecto para el iSave de Danfoss. Las ligeras y compactas bombas de pistones axiales están especialmente diseñadas para trabajar con líquidos corrosivos de baja viscosidad a alta presión. Autolubricadas y fabricadas íntegramente con materiales no corrosivos (acero inoxidable dúplex/superdúplex, PEEK reforzado con fibra de carbono), las bombas APP de Danfoss ofrecen un caudal constante a lo largo de toda su dilatada vida útil, sin ruido, ni preocupaciones ni mantenimientos innecesarios. ISave de Danfoss nos permite obtener un casi perfecto índice de transferencia energética garantizando un ahorro energético de hasta un 60 % superior al de los sistemas sin recuperación de energía. El innovador diseño 3 en 1 del iSave cuenta con las dimensiones más compactas de toda la categoría ERD, lo que permite aumentar la producción de agua potable en menos espacio. Los diseñadores de sistemas disfrutan de mayor libertad de movimiento con el iSave de Danfoss. El compacto iSave ofrece mayor flexibilidad en el diseño gracias a que reduce la necesidad de tuberías y dispone de una amplia gama de opciones de caudal, que pueden llegar a ampliarse de forma segura mediante la instalación de dos o más dispositivos iSave en paralelo. En [6] la unidad iSave de Danfoss ha sido diseñada para funcionar de forma automática y prácticamente sin incidencias. El giro del rotor está controlado por un motor eléctrico, lo que elimina por completo el riesgo de desbordamiento/exceso de revoluciones durante su puesta en marcha y funcionamiento. Esta característica convierte al dispositivo iSave en la solución ideal si su sistema de ósmosis inversa de agua de mar depende de personas con diferentes niveles de conocimientos y de las circunstancias con las que estemos trabajando. Este dispositivo de Danfoss nos ofrece una gran fiabilidad y un escaso nivel de mantenimiento. Debido a su motor eléctrico de transmisión directa y su diseño 3 en 1 autolubricado y sin tuberías, el mantenimiento del iSave no solo es muy sencillo, sino que se puede realizar in situ. Los componentes del dispositivo iSave de Danfoss, que se basa en el principio demostrado de la recuperación de energía, son de polímeros o de acero inoxidable dúplex/superdúplex resistente a la corrosión. Su diseño, que utiliza una única junta mecánica de baja presión, también elimina la necesidad de contar con una junta del eje de alta presión. El uso de una bomba de desplazamiento positivo como bomba booster ofrece la garantía de que el iSave suministrará un caudal constante en todo momento, independientemente de los cambios de presión. Donde otros ERD isobáricos sufrirían para producir flujos uniformes en la línea de concentrado si la presión diferencial presentase alteraciones, el iSave continúa suministrando la cantidad idónea de alimentación a membrana. 32 Los antiincrustantes son absorbidos en la superficie de los cristales de sal, impidiendo el crecimiento de los mismos y evitando la atracción de más iones desde la solución sobresaturada hacia la superficie del cristal. De esta forma, los cristales no alcanza el tamaño suficiente como para acabar precipitando. Algunas de estas moléculas que contienen grupos funcionales de ácidos carboxílicos (R-COOH) o derivados orgánicos de fosfatos (PO43-), y algunos ejemplos son: - Hexametafosfato sódico (HMPNa) - Poli-acrilatos de bajo peso molecular - Poli-acrilatos de alto peso molecular - Organofosfonatos Figura 3.11 Gráfico tratamiento ósmosis inversa En la figura 3.11 podemos contemplar una breve descripción gráfica de como es el tratamiento de ósmosis inversa para el agua que estamos tratando y trabajando según [1]. 3.8 Parámetros que afectan a los procesos de ósmosis inversa 3.8.1. Polarización Según [4] debido a la transferencia de disolvente a través de la membrana, en la superficie de la membrana del canal alimentación-concentrado la salinidad se incrementa respecto a la que puede medirse a cierta distancia de la membrana, vamos a tener en cuenta que: - Es importante en el canal alimentación-rechazo. - Despreciable en el canal del permeado. 33 Figura 3.12 Proceso polarización de concentración Como podemos observar (figura 3.12) según [4] debido a que la transferencia de disolvente a través de la membrana es muy superior a la de las sales, esta desproporción produce que la salinidad se incremente mucho en las proximidades de la superficie de la membrana en el canal alimentación-concentrado. Un efecto mucho menor ocurre en el canal del permeado, en este caso producido por el paso de sales que poco a poco se va difundiendo por el canal del permeado. Puede observarse en la citada figura un pequeño incremento de la salinidad en las proximidades de la membrana. La polarización de la concentración no puede eliminarse por completo en los procesos de ósmosis inversa, pero al menos puede reducirse, de las siguientes formas: - Favoreciendo el flujo turbulento mediante espaciadores - Ajustando el flujo de alimentación en cada tubo de presión. 3.8.2 Ensuciamiento de la membrana 3.8.2.1 Ensuciamiento coloidal Como se nos indica en [1] este tipo de ensuciamiento tiene lugar en la coagulación de los coloides (partículas en suspensión menores de 1 micra) que se mantienen dispersas en la solución por la presencia de cargas superficiales. Provoca que estos coloides se peguen a la membrana y formen una capa superficial que reduce su permeabilidad. Los coloides más frecuentes son Fe, Mn, sílice y arcilla fina. El azufre coloidal se forma al oxidarse el SH2 y es difícil de eliminar (puede evitarse eliminando el aire y otros oxidantes). 3.8.2.2 Ensuciamiento orgánico y biológico En el ensuciamiento orgánico tenemos que suelen ser materia orgánica, ácidos fúlvicos y húmicos que son rechazados por la membrana. La membrana rechaza estos compuestos, pero se depositan sobre la misma y forman una capa que también ensucian la membrana. 34 Para [1] el ensuciamiento biológico se tratan de componentes biológicos del agua de mar, microalgas, bacterias, virus, etc. Figura 3.13 Limpieza de membranas En la figura 3.13 podemos contemplar una forma de poder realizar la limpieza de las membranas para que sea más efectiva. 35 4. MEMBRANAS DE ÓSMOSIS INVERSA En [7] podemos contemplar como inicio la descripción detallada de la tecnología convencional de membranas de ósmosis inversa para agua de mar, que vamos a emplear para la desalación solar y para el proceso que estamos estudiando. En la figura 4.1 vemos un breve resumen gráfico de cómo es su funcionalidad y cómo se aplica esta tecnología. Figura 4.1 Tecnología ósmosis inversa A partir de ahora vamos a desarrollar y a desglosar los diferentes fabricantes que podemos encontrarnos en el mercado para la aplicación de esta tecnología. 4.1 Membranas LG NanoH2O Según [7] basadas en los innovadores materiales nanoestructurados y en la tecnología de polímeros probada en la industria, las membranas OI de LG NanoH2O mejoran dramáticamente la eficiencia energética y la productividad de la desalación. Para la producción de agua potable, estas membranas ofrecen el mejor flujo y rechazo de su clase, y están disponibles en elementos estándar de 8 pulgadas (20 cm) de diámetro que se adaptan fácilmente a las plantas de desalación nuevas y existentes, purificando agua de una amplia gama de fuentes con productividad y calidad de agua mejoradas. LG NanoH2O fabrica membranas de ósmosis inversa (OI) de agua de mar y salobre que reducen el costo de la desalación. Estas membranas vienen en dos tipos: un rango de ahorro de energía (ES) para usar a 10,34 bar en caso de desalación de agua salobre y un rango de "alto rechazo", para usar a 15,5 bar (agua salobre) y que se divide en tres grados que abarcan un rango de tasa de flujo de permeado de 39.7 m3/d a 58,3 m3/d. 36 4.1.1 LG Chem lidera el camino en tecnología de membrana Las membranas de película delgada se utilizan ampliamente en los procesos de tratamiento de agua como medio de eliminar contaminantes y purificar el agua de una amplia gama de fuentes que hemos visto en [7]. LG Chem desarrolla y fabrica membranas de ósmosis inversa (OI) que se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones que van desde la desalación de agua de mar hasta la reutilización de aguas residuales. LG Chem adquirió NanoH2O, un fabricante de membranas de OI. Conocido por su innovadora tecnología de membrana de nanocompuesto de película delgada que dramáticamente mejora la eficiencia de la membrana y la productividad. Esta tecnología única, combinada con la experiencia de LG Chem en el recubrimiento rollo a rollo, la excelencia en productos químicos y polímeros. Figura 4.2 Uso para diferentes sectores de Membranas LG NanoH2O 4.1.2 Ventajas membranas LG NanoH2O En [7] aquí podemos contemplar algunas de las ventajas si empleamos este producto para nuestro proceso de desalación empleando este tipo de membranas: - La línea NanoH2O ™ de membranas de ósmosis inversa de LG Chem presenta nanopartículas benignas encapsuladas en la capa superior de poliamida. - Las membranas RO de NanoH2O ™ de LG Chem ofrecen el mayor flujo y el mayor rechazo de sal de cualquier membrana de RO en el mercado. - Todas las membranas NanoH2O ™ RO de LG Chem están certificadas por el estándar 61 por NSF international para la producción de agua potable. Categoría Grado Propiedades Desalación de agua de mar R, GR, SR : Alto rechazo El mayor rechazo de sal en la industria (99.89%) ES : Energy Saving (El ahorro de energía) Alto rechazo y alto flujo. Uso Industrial / Municipal R : Alto rechazo Alto rechazo AFR : Anti-Fouling (Anti ensuciamiento) Alto rechazo, anti ensuciamiento. ES : Energy Saving (El ahorro de energía) • Baja presión y ahorro de energía. • Alto rechazo y alto flujo. Tabla 4.1 Categorías/usos para LG NanoH2O Podemos contemplar en la tabla 4.1 los distintos usos y propiedades que podemos emplear para este tipo de membranas que estábamos describiendo anteriormente. 37 4.2 Toray (TM280A-370) Según [8] para esta membrana, hay que tener en cuenta que todos los elementos se probaron en húmedo, se trataron con solución de agua de alimentación probada y luego se envasaron al vacío. Con bolsas barrera al oxigeno con desoxidante en su interior, para prevenir el crecimiento biológico durante el cierre del sistema. En la tabla 4.3, podemos contemplar que tenemos dos tipos de membrana Toray (TM820A-370) y Toray (TM820A-400) estudiando los valores típicos de fabricación y las condiciones empleadas para ello. Tabla 4.2 Tecnología membranas TORAY La presencia de cloro libre y otros agentes oxidantes en ciertas condiciones, como los metales pesados que actúan como catalizadores de oxidación en el agua de alimentación causará una oxidación inesperada de la membrana. Se recomienda encarecidamente eliminar estos agentes oxidantes contenidos en el agua de alimentación antes de operar el sistema de RO (ósmosis inversa). En la tabla 4.3, podemos visualizar los límites de operación que tenemos para la membrana Toray que estamos tratando en [8]. Tabla 4.3 Valores límites de operación TORAY 38 4.3 SWC6 – 4040 Podemos contemplar en [9] para esta membrana (SWC6-4040), vamos a ver un poco por encima sus valores típicos tratados y estudiados para el fabricante SWC. Las limitaciones que se muestran aquí son para uso general, para proyectos específicos, operando a proyectos más conservadores. En la siguiente tabla informativa de SWC (tabla 4.4), se contempla los valores y datos más relevantes para la fabricación de la membrana que estamos tratando en este caso. Estos valores pueden garantizar el mejor rendimiento y la vida útil más larga de la membrana. Tabla 4.4 Valores tecnología membranas SWC6-4040 4.4 Dow-Filmtec-SW30HRLE-440i Dow Water & Process Solutions ofrece varios elementos de ósmosis inversa de agua de mar de primera calidad diseñados para reducir el costo de capital y de operación de los sistemas de desalación. Los productos DOW ™ FILMTEC ™ combinan una excelente calidad de membrana con la fabricación automatizada de precisión, llevando el rendimiento del sistema a niveles sin precedentes Estos valores del producto que nos ofrece DOW se pueden representar en la siguiente tabla (tabla 4.6) donde se nos da la información sobre las especificaciones de esta tecnología que estamos estudiando en [10]. Tabla 4.5 Especificaciones producto DOW ™ FILMTEC ™ SW30HRLE-440i 39 El elemento DOW ™ FILMTEC ™ SW30HRLE-440i ofrece un costo de ciclo de vida más bajo y sostenible para aguas de alimentación de salinidad media y alta al combinar un alto rechazo y un rendimiento de bajo consumo energético con el área activa más alta y el espaciador de alimentación más grueso de las membranas Dow. Los beneficios de este elemento que se nos ofrecen, incluyen los siguientes puntos en [10]: - Permite que los sistemas se diseñen y operen para reducir los costos operativos a través de la reducción del consumo de energía o para disminuir los costos de capital a través de una mayor productividad con flujos operativos más bajos. - Alto rechazo de NaCl y boro para ayudar a cumplir con la Organización Mundial de la Salud (OMS) y otros estándares de agua potable. - El área activa más alta garantizada (41 m2) permite el menor costo del sistema al maximizar la productividad y permite un diseño del sistema preciso y previsible y un flujo operativo. - La combinación del área activa más alta con el espaciador de alimentación más grueso permite una baja frecuencia de limpieza y una alta eficiencia de limpieza. - La utilización de las distintas tapas de anclaje iLEC ™ que ayudan a reducir los costos operativos del sistema y el riesgo de fugas de juntas tóricas que pueden causar una mala calidad del agua. - Alto rendimiento sostenible durante la vida útil del elemento, ya que los tratamientos oxidativos no se utilizan en la producción de membranas. Esta es una de las razones por las que los elementos DOW FILMTEC son más duraderos y pueden limpiarse más eficazmente en un rango de pH más amplio (1-13) que la mayoría de los otros elementos RO, que utilizan tratamientos oxidativos. - Uso efectivo en sistemas de desalación de agua de mar en fase de permeado sin perjudicar el rendimiento de la etapa posterior. En la tabla 4.6, se puede visualizar los límites de operación del fabricante de la membrana que estamos hablando y que nos ofrece DOW de forma generalizada en [10]. Tabla 4.6 Valores límites de operación DOW ™ FILMTEC ™ SW30HRLE-440i El arranque correcto de los sistemas de tratamiento de agua por ósmosis inversa es esencial para preparar las membranas para el servicio de operación y para evitar daños a la membrana debido a la sobrealimentación o al choque hidráulico. Seguir la secuencia de inicio adecuada también ayuda a garantizar que los parámetros operativos del sistema se ajusten a las especificaciones del diseño para que se puedan alcanzar los objetivos de productividad y calidad del agua del sistema. 40 5. CÁLCULO DE COSTES DE LA DESALACIÓN POR ÓSMOSIS INVERSA MEDIANTE SMTG 5.1 Análisis costos desalación por ósmosis inversa En este apartado se resumen los contenidos de la referencia [11], que presenta un estudio detallado y representativo del cálculo de costes en desalación. El tipo preferido de proceso de desalación y las fuentes de energía utilizadas han cambiado con el tiempo en función de los desarrollos tecnológicos, que afectan tanto el rendimiento como el coste de las tecnologías de desalación y generación de energía. Además, las preferencias tecnológicas se ven muy afectadas por las condiciones locales en las regiones donde se instalan las plantas porque los parámetros como el coste del combustible y la composición típica del agua de alimentación pueden variar ampliamente, lo que afecta el rendimiento y la viabilidad de la planta. El problema del coste es fundamental para tratar estas cuestiones. Por supuesto, otros parámetros también se tienen en cuenta en el proceso de decisión son los impactos ambientales, la aceptación social y las elecciones estratégicas definidas por las políticas gubernamentales. 5.1.1 Literatura sobre revisiones de costos de desalación y correlaciones. Veremos los distintos costes a tener en cuenta según la tecnología y la fuente de energía y, a veces, el tamaño de la planta; sin embargo, la agrupación de los costes en todos estos documentos no tiene en cuenta factores críticos, tales como se nos indica en [11]: a) El año diferente de construcción. Por ejemplo, se derivó un rango de costo para PV-RO de 11.7 a 15.6 USD/m3. b) Las diferentes ubicaciones geográficas. Por ejemplo, para sistemas de RO con capacidades desde 15.000 hasta 60.000 m3/día, agrupando datos de países con condiciones muy diferentes como USA, China, Grecia y Emiratos Árabes Unidos, se dio un rango de costos de 0,48 a 1,62 USD/m3. Se realizaron análisis estadísticos de datos de costos reales de 950 plantas de OI y mostraron que los parámetros más importantes que afectan el costo fueron: - la capacidad de la planta, - el año de construcción, - la salinidad del agua de alimentación, - La región donde están instaladas las plantas. 5.1.1.1. Metodologías para el cálculo de los costos de desalación - Indicadores de evaluación de inversiones Los indicadores que se utilizan con más frecuencia en la evaluación de inversiones son el Valor Presente Neto (VPN), la Tasa Interna de Retorno (TIR) y el Período de Retorno (PR). Hay muchos libros de texto y artículos en los que se definen estos indicadores, que proporcionan ecuaciones para su cálculo. El cálculo del VPN se puede hacer usando la siguiente ecuación (4) tomada de [11]: 41 𝑉𝑃𝑁 = ∑𝑅𝑡−𝐶𝑡 (1+𝑖)𝑡 𝑛 𝑡=1 − 𝐼0 (4) En el caso de proyectos de desalación, el Rt refleja los ingresos de la venta del agua producida, 𝐶𝑡 que son los cotes de producción. Como resultado, el cálculo de VPN o TIR requiere la evaluación de la cantidad de agua que se producirá y el precio al que se puede vender el agua en el punto de producción del año 1 al año n. La situación es similar en los proyectos de energía, donde se debe conocer el precio al cual se puede vender la electricidad generada. En ese caso, se introdujo según [11] el concepto de costo de electricidad normalizado (LCOE), que es una evaluación del precio al que se tendría que vender la electricidad para que el proyecto se recupere y se calcula dividiendo los costos producidos durante toda la vida útil del proyecto por la energía producida durante el mismo período. Al adaptar ese concepto para la desalación y otras tecnologías de producción de agua, la ec. (5) se obtiene para el Costo Normalizado del Agua (LCOW, Levelised Cost of Water), donde Ct es el costo anual de operación y Mw, es la cantidad de agua producida en el año t: 𝐿𝐶𝑂𝑊 = 𝐼0+∑𝐶𝑡 (1+𝑖)𝑡 𝑛 𝑡=1 ∑𝑀𝑤.𝑡 (1+𝑖)𝑡 𝑛 𝑡=1 (5) - Revisión de metodologías utilizadas para calcular los costos de desalación. En la mayoría de los casos se utilizó un método que algunos autores denominan "factor de amortización" o "método de costo del ciclo de vida anualizado". En ese enfoque, los costos iniciales de capital se anualizaron utilizando el factor de amortización. El resultado obtenido de este método se denomina aquí como costo simplificado del agua (SCOW), que se puede calcular utilizando esta ecuación según [11]: 𝑆𝐶𝑂𝑊 = (𝐼0×𝛼)+𝐶 𝑀𝑤 (6) En primer lugar, según [11] es bastante común desglosar los costos de funcionamiento (C) en costos fijos anuales (CF) medidos en unidades monetarias como USD y costos variables (Cv), expresados en unidad monetaria por m3. Siendo α: Luego, en algunos casos, la variación esperada de los precios a lo largo del tiempo se tuvo en cuenta al suponer una tasa de aumento anual (r) para los costos de funcionamiento. Para tener en cuenta la escalada de precios a lo largo del tiempo, como se observa en esta ecuación (8): 𝑆𝐶𝑂𝑊 = (𝐼0×𝛼)+𝜆×𝐶𝐹 𝑀𝑤+𝜆×𝐶𝑣 (8) Se definen los parámetros k y λ por: 𝜆 = 𝑘(1−𝑘𝑛) 1−𝑘 ×𝛼 (9) 𝑘 = 1+𝑟 1+𝑖 (10) Por otro lado, en algunos documentos se realizó un cálculo muy simplista para el costo del agua (Cp) donde no se tuvo en cuenta el descuento de los flujos de efectivo futuros. Este cálculo simplificado viene dado por (11): (7) 48 ISLAS CANARIAS (ATLÁNTICO) Figura 5.2 Resultados obtenidos con software LG NanoH2O: Islas Canarias 49 MEDITERRÁNEO 1 Figura 5.3 Resultados obtenidos con software LG NanoH2O: Mediterráneo 5.3. Escenario de diversos países en cuanto a salarios y costes financieros En las siguientes tablas se muestran resultados de consultas bibliográficas sobre datos que definen el escenario de un país concreto en cuanto a sus salarios y costes financieros. Los valores de los coeficientes de salarios se toman en proporción al de Estados Unidos para tenerlos en cuenta para los cálculos de los costes financieros en relación a estos porcentajes según el país que estemos tratando. 50 Países Costes financieros (%) Contingencia (%) Interés Fondo de reserva de la deuda Otros costes China 1,5 4 3 8 España 2 5 4 10 Sudáfrica 1 2,5 2 5 Brasil 2 5 4 10 Marruecos 1,5 4 3 8 Tabla 5.4 Costes financieros [55,56] Países Coeficientes salarios (%) China 85 España 97,6 Sudáfrica 55,8 Brasil 92 Marruecos 83,5 Tabla 5.5 Coeficiente de equivalencia de salarios [55,56] 5.4. Comportamiento de la microturbina de gas solar (SMGT) La siguiente figura muestra conceptualmente los dos principales componentes de la microturniba de gas solar (SMGT). El concentrador solar, que consiste en un disco parabólico recibe la energía solar en el área efectiva del captador y la concentra en el receptor, el cual calienta el fluido de trabajo de la mTG. Al ser un dispositivo de concentración, sólo puede aprovechar la irradiancia solar directa (DNI) que recibe siempre perpendicularmente gracias a su sistema de seguimiento solar en dos ejes. 𝑄󰇗sol → → Figura 5.4 Esquema conceptual de una microturbina de gas solar. La eficiencia de cada componente está caracterizada en la literatura, según se muestra en la siguiente figura. Siendo DNI el valor de la irradiancia solar directa para lo que estamos tratando, además viendo el gráfico de la figura anterior debe alcanzar la línea verde formada por Ƞdish·ƞrcv al 75% de la curvatura. Con respecto a la relación entre el radio de apertura del receptor solar y la desviación estándar de la distribución Gaussiana r/μ se toma 2,5. De esta forma se maximiza prácticamente el producto del rendimiento del concentrador y el rendimiento del receptor (Figura 5.5). Concentra dor solar mTG 51 Ƞdish·ƞrcv = 𝑄󰇗𝑎𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑙𝑎 𝑚𝑇𝐺 𝐷𝑁𝐼 (21) Figura 5.5 Eficiencia del concentrador (dish), del receptor (rcv) y del captador solar en su conjunto (producto de ambas) [Miguel Rollán, 2018]. Miguel Rollán, en su TFG compara conceptualmente la aplicación de SMGT en desalación: por una parte, utilizar la electricidad producida en un proceso de OI, por otra parte utilizar la descarga de calor en un proceso de destilación de tecnología MED. Para el uso de la desalación por OI se evalúa el caso convencional y el caso de realizar el precalentamiento de la alimentación gracias a los gases de escape de la mTG. Además también analiza el caso de la producción de agua desalada mediante la operación de ambos procesos al mismo tiempo, MED y SWRO. Los principales resultados de ese estudio se muestran a continuación. El sistema integrado que comprende el dish-mGT y MED de la planta se discute ahora, ya que el sistema de OI está totalmente desacoplado de estos dos. La eficiencia solar a eléctrica de la del sistema dish-mGT es del orden del 19% cuando la temperatura de entrada de la turbina se establece a 900ºC y cae a 16.5% cuando se consideran 800ºC. Estas eficiencias generales son bastante constantes independientemente del tamaño del disco y solo para los sistemas más pequeños disminuir un poco (efectos de escala en turbomaquinaria). Esto es debido a la velocidad de rotación de la turbomáquina está limitada por el alternador causando una caída en la velocidad específica y el compresor / turbina eficiencia con respecto a los mejores valores alcanzables. La siguiente tabla 5.6 muestra resultados detallados de los tres principales componentes: colector, receptor y mGT. La Tabla 5.7 muestra que no hay ventajas claras en combinar procesos de desalación MED y SWRO ni en precalentamiento la alimentación en un sistema de desalinización SWRO. Por lo tanto, cualquier solar el sistema de desalinización impulsado por mGT debería considerar un sistema convencional unidad de desalinización SWRO impulsada por la electricidad producida por el micro turbina de gas. En instalaciones más grandes (de mediana escala), varios mGT podría cubrir la demanda de electricidad de la planta desaladora, si esto es más alto que la capacidad de un solo mGT solar. En cualquier caso, los costos del agua serían del orden de 3.0 €/m3 en un buena ubicación. Si la ubicación fuera menos favorable, el costo de la electricidad sería mayor (caso de China, por ejemplo, debido a un DNI más bajo), y esto tendrá un impacto significativo en el costo de agua. Para el caso citado, este costo aumentaría a alrededor de 3.35 €/m3 (el impacto de la ubicación en el costo de la electricidad del sistema SMGT fue discutido a fondo. 52 Tabla 5.6 Resultados del trabajo de M. Rollán: Caracterización de captador, receptor y mGT para distintos diámetros del disco parabólico. Tabla 5.7 Resultados del trabajo de M. Rollán: Caracterización de captador, receptor y mGT para distintos diámetros del disco parabólico. 53 5.5 Evaluación de costes de la desalación de agua de mar mediante SMGT Para nuestro proyecto trabajaremos para una planta de desalación de 10 m3/h nominales que consume la electricidad producida por una SMGT. Veremos y estudiaremos la viabilidad económica para los distintos casos y lugares que hemos realizado el estudio. 5.5.1. Costes de capital Esta tabla 5.8 incluimos los costes de construcción que tenemos que tener en cuenta para una planta típica sin ser con tecnología de ósmosis inversa. Esta información tan detallada la adaptaremos a la capacidad nominal de nuestro sistema de 10 m3/h. Project capital cost breakdown CASO CONVENCIONAL Capital cost Cost ítem US $ % of Total Direct capital (construction) costs Site preparation, roads and parking 580000 1,1 Intake 2760000 5,4 Pretreatment 4640000 9,0 RO system equipment 18560000 36,1 Post – treatment 1160000 2,3 Concentrate disposal 1450000 2,8 Waste and solids handling 870000 1,7 Electrical and instrumentation systems 1300000 2,5 Auxiliary and service equipment and utilities 1160000 2,3 Buildings 1740000 3,4 Start up, commissioning and acceptance testing 1160000 2,3 Subtotal ---- direct (construction) costs 35380000 68,8 (% of total capital costs) 884,5 $/(m3/d) Cost of energetic system: Coste de capital de la instalación de la mTG solar, debe sumarse al coste de capital de la desaladora 5790 57900 Project engineering services Preliminary engineering 580000 1,1 Pilot testing 580000 1,1 Detailed design 2900000 5,6 Construction management and oversight 1740000 3,4 Subtotal ---- engineering services 5800000 11,3 54 Tabla 5.8 Datos de referencia de costes de una planta de desalación de agua de mar a gran escala [Wilf, 2007]. Project development Administration, contracting and management 1160000 2,3 Environment permiting 2610000 5 Legal services 870000 1,7 Subtotal ---- project development 4640000 9,0 Project financing costs Interest during construction 116000 0,2 Amortización 721752,00 1,4 Subtotal ---- project financing 837752 1,6 Contingency (10% del capital de construcción, para planta pequeña) 5500000 10,7 Subtotal indirect capital costs 16777752 32,2 Total capital costs 52163542 100 Tabla 5.9 Datos de referencia de costes de una planta de desalación de agua de mar a gran escala [16] Para los casos de desalación solar y para cada una de las localizaciones de nuestro proyecto para la implantación de la tecnología de ósmosis inversa, Hemos contemplado 3 tablas para las distintas ubicaciones: - Costes capital parcial y total - Costes de operación y mantenimiento - Coste total del agua Las siguientes tablas que tenemos va acorde a la tecnología con la que estamos tratando y que variará en función de ello y de la ubicación que estemos analizando (algunos parámetros como los coeficientes de salario están incluidos en nuestro análisis). En esta tabla incluimos el análisis financiero para nuestro proyecto (que veríamos que sería para unos 15 años), donde vemos el interés, contingencia de la planta o costes capitales que sea viable. Para todos los casos hemos determinado que la contingencia debe representar un porcentaje del capital de construcción, ya que tenemos que tener en cuenta cualquier contratiempo e imprevisto en nuestra inversión. Nuestra idea es estudiar en cada zona del planeta, así el tipo de agua que nos vamos a encontrar ya sea zona Mediterránea, Pacífica o Atlántica a nivel pequeño para nuestros casos. En esta tabla representamos tanto los costes capitales de construcción y financieros para los proyectos que se realicen en las ubicaciones de Canarias (España) y Fortaleza (Brasil) teniendo en cuenta costes para cada país (así como el valor de la contingencia que hemos considerado anteriormente). Como hemos explicado, para las diferentes ubicaciones hemos tenido en cuenta los coeficientes del salario y demás costes en función del lugar que queramos realizar o implantar esta tecnología en nuestras plantas. 55 Project capital cost breakdown: 10 m3/h of nominal capacity Case study: Canarias Case study: Fortaleza Capital cost Cost ítem Euros/(m3/h ) Euros % Total Euros/(m3/ h) Euros % Total Direct capital (construction) costs Site preparation, roads and parking 309,71 3097,14 0,92 309,71 3097,14 0,89 Intake 1473,81 14738,11 4,36 1473,81 14738,11 4,25 Pretreatment 2477,71 24777,10 7,32 2477,71 24777,10 7,14 RO system equipment 9910,84 99108,42 29,29 9910,84 99108,42 28,56 Post – treatment 619,43 6194,28 1,83 619,43 6194,28 1,78 Concentrate disposal 774,28 7742,85 2,29 774,28 7742,85 2,23 Waste and solids handling 464,57 4645,71 1,37 464,57 4645,71 1,34 Electrical and instrumentation systems 694,19 6941,86 2,05 694,19 6941,86 2,00 Auxiliary and service equipment and utilities 619,43 6194,28 1,83 619,43 6194,28 1,78 Buildings 929,14 9291,41 2,75 929,14 9291,41 2,68 Start up, commissioning and acceptance testing 619,43 6194,28 1,83 619,43 6194,28 1,78 Subtotal - SWRO direct (construction) costs 18892,54 188925,42 55,84 18892,54 188925,42 54,44 787,19 €/(m3/d) 787,19 €/(m3/d) Project engineering services Preliminary engineering 309,71 3097,14 0,92 309,71 3097,14 0,89 Pilot testing 309,71 3097,14 0,92 309,71 3097,14 0,89 Detailed design 1548,57 15485,69 4,58 1548,57 15485,69 4,46 Construction management and oversight 929,14 9291,41 2,75 929,14 9291,41 2,68 Subtotal ---- engineering services 3097,14 30971,38 9,15 3097,14 30971,38 8,92 129,05 €/(m3/d) 129,05 €/(m3/d) Cost of energetic system: SMGT 5580 55800 6380 63800 Subtotal - direct (construction) costs SMGT 232,5 €/(m3/d) 265,83 €/(m3/d) DIRECT COSTS SMGT/SWRO 27569,68 275696,8 28369,68 283696,8 1148.74 €/(m3/d) 1182.1 €/(m3/d) Tabla 5.10 . Cálculo parcial de costes de capital en Canarias y Fortaleza. 56 El valor de la contingencia lo tomamos del valor del 10% aproximado del coste capital de construcción para nuestro trabajo. Para el resto de ubicaciones utilizaremos los valores que hemos obtenido en la tabla 5.4. Project development Case study: Canarias Case study: Fortaleza Capital cost Cost ítem Euros/(m3/h) Euros % Total Euros/(m3/h) Euros % Total Administration, contracting and management 619,43 6194,28 1,8 619,43 6194,28 1,8 Environment permiting 1393,71 13937,12 4,1 1393,71 13937,12 4,0 Legal services 464,57 4645,71 1,4 464,57 4645,71 1,3 Subtotal ---- project development 2477,71 24777,10 7,3 2477,71 24777,10 7,1 103,24€/(m3/d) 103,24 €/(m3/d) Project financing costs Amortización 385,41 3854,08 385,41 3854,08 Subtotal ---- project financing 385,41 3854,08 385,41 3854,08 16,07 €/(m3/d) 16,07 €/(m3/d) Contingency 3400,00 34000,00 10,0 3470,00 34700,00 10,0 Subtotal indirect capital costs 9360,46 93604,58 26,5 9430,46 94304,58 26,1 390,02 €/(m3/d) 392,94 €/(m3/d) Total capital costs (direct – tabla 5.14 - and indirect costs) 33833,00 282530,00 82,4 34703,00 283230,00 80,5 1538,76 €/(m3/d) 1575,04 €/(m3/d) Tabla 5.11 . Cálculo del total de costes de capital en Canarias y Fortaleza. A continuación representamos tanto los costes capitales de construcción y financieros para los proyectos que se realicen en las ubicaciones de Casablanca (Marruecos) y Hong Kong (China) teniendo en cuenta costes para cada país (así como el valor de la contingencia que hemos considerado anteriormente). Como hemos explicado, para las diferentes ubicaciones hemos tenido en cuenta los coeficientes del salario y demás costes en función del lugar que queramos realizar o implantar esta tecnología en nuestras plantas. 57 Project capital cost breakdown: 10 m3/h of nominal capacity Case study: Casablanca Case study: Hong Kong Capital cost Cost ítem Euros/(m3/h) Euros % Total Euros/(m3/h) Euros % Total Direct capital (construction) costs Site preparation, roads and parking 309,71 3097,14 0,91 309,71 3097,14 0,93 Intake 1473,81 14738,11 4,31 1473,81 14738,11 4,41 Pretreatment 2477,71 24777,10 7,25 2477,71 24777,10 7,42 RO system equipment 9910,84 99108,42 29,00 9910,84 99108,42 29,68 Post - treatment 619,43 6194,28 1,81 619,43 6194,28 1,85 Concentrate disposal 774,28 7742,85 2,27 774,28 7742,85 2,32 Waste and solids handling 464,57 4645,71 1,36 464,57 4645,71 1,39 Electrical and instrumentation systems 694,19 6941,86 2,03 694,19 6941,86 2,08 Auxiliary and service equipment and utilities 619,43 6194,28 1,81 619,43 6194,28 1,85 Buildings 929,14 9291,41 2,72 929,14 9291,41 2,78 Start up, commissioning and acceptance testing 619,43 6194,28 1,81 619,43 6194,28 1,85 Subtotal - SWRO direct (construction) costs 18892,54 188925,4 2 55,84 18892,54 188925,42 54,44 787,19 €/(m3/d) 787,19 €/(m3/d) Project engineering services Preliminary engineering 309,71 3097,14 0,91 309,71 3097,14 0,93 Pilot testing 309,71 3097,14 0,91 309,71 3097,14 0,93 Detailed design 1548,57 15485,69 4,53 1548,57 15485,69 4,64 Construction management and oversight 929,14 9291,41 2,72 929,14 9291,41 2,78 Subtotal ---- engineering services 3097,14 30971,38 9,06 3097,14 30971,38 9,27 129,05 €/(m3/d) 129,05 €/(m3/d) Cost of energetic system: SMGT 5900 59000 5200 52000 Subtotal - direct (construction) costs SMGT 245,83 €/(m3/d) 216,66 €/(m3/d) DIRECT COSTS SMGT/SWRO 27889,68 278896,8 27189,68 271896,8 1162.07 €/(m3/d) 1132.9 €/(m3/d) Tabla 5.12 . Cálculo parcial de costes de capital en Casablanca y Hong Kong. 64 Project annual operation and maintenance cost breakdown (Caso DIN >500 W/m2) Annual O&M costs Caso Canarias Caso Fortaleza Caso Durban Caso Casablanca Caso Hong Kong Horas Operación 686 803 833 1016 256 Cost ítem Euros/m3 Euros/m3 Euros/m3 Euros/m3 Euros/m3 Energy (conventional) 0,54 0,33 0,23 0,54 0,31 Chemicals 0,021 0,021 0,021 0,021 0,021 Replacement of membranes and cartridge filters 0,037 0,037 0,037 0,037 0,037 Waste stream disposal 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 Subtotal ---- variable O&M costs 0,615 0,405 0,305 0,615 0,385 Tabla 5.22. Cálculo del coste variable de operación y mantenimiento para DIN >500 W/m2. Coeficiente comparativo del salario (de cada caso) Annual O&M costs Caso Canarias Caso Fortaleza Caso Durban Caso Casablanca Caso Hong Kong Horas Operación 686 803 833 1016 256 Cost ítem Euros/m3 Euros/m3 Euros/m3 Euros/m3 Euros/m3 Labor cost 0,000123 0,000123 0,000123 0,000123 0,000123 Maintenance 0,000139 0,000139 0,000139 0,000139 0,000139 Environmental and performance monitoring 0,000032 0,000032 0,000032 0,000032 0,000032 Indirect O&M costs 0,000208 0,000208 0,000208 0,000208 0,000208 Subtotal ---- fixed O&M costs 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Total O&M costs 0,615 0,405 0,305 0,615 0,385 Tabla 5.23. Cálculo del coste fijo y total de operación y mantenimiento para DIN >500 W/m2. 65 5.5.3. Costes de agua En estas tablas del coste de agua, se incluyen los valores que hemos visto en las tablas anteriores de los costes variables, fijos y totales para va relacionado al m3/d del coste del agua que nos puede llegar a costar para producirlo y como ver la viabilidad en función del capital que hemos invertido en nuestro proyecto. Project water cost breakdown Fixed cost component Cost of water ítem US $/m3 $/kgal % of Total Capital cost recovery 0,332 1,257 45,4 Labor cost 0,023 0,087 3,1 Maintenance 0,026 0,098 3,6 Environment and performance monitoring 0,006 0,023 0,8 Indirect O&M costs 0,039 0,148 5,3 Subtotal ---- fixed water cost component 0,426 1,613 58,2 Tabla 5.24. Cálculo del coste fijo de agua. Variable cost component Cost of water ítem US $/m3 $/kgal % of Total Energy 0,222 0,84 30,3 Chemicals 0,024 0,091 3,3 Replacement of membranes and cartridge filters 0,042 0,159 5,7 Waste stream disposal 0,018 0,068 2,5 Subtotal ---- variable water cost component 0,306 1,158 41,8 Total cost of water 0,732 2,771 100,0 Tabla 5.23. Cálculo del coste variable y total de agua. 66 En estas tablas sobres las ubicaciones que hemos realizado en nuestro trabajo fin de grado, podemos ver los costes del agua que tendremos en el proceso de desalación y con la tecnología de ósmosis inversa para ver el poco valor que tienen costes como los indirectos o laborales como sí la inversión como capital cost recovery. Project water cost breakdown Fixed cost component Caso Canarias Caso Fortaleza Euro/m3 % de total Euro/m3 % de total Capital cost recovery 3,862 87,7 3,962 92,3 Labor cost 0,000 0,0 0,000 0,0 Maintenance 0,000 0,0 0,000 0,0 Environment and performance monitoring 0,000 0,0 0,000 0,0 Indirect O&M costs 0,000 0,0 0,000 0,0 Subtotal --- fixed water cost component 3,863 87,7 3,962 92,3 Tabla 5.25. Cálculo del coste fijo de agua en Canarias y Fortaleza. Variable cost component Caso Canarias Caso Fortaleza Euro/m3 % de total Euro/m3 % de total Energy 0,540 12,3 0,330 7,7 Chemicals 0,000 0,0 0,000 0,0 Replacement of membranes and cartridge filters 0,000 0,0 0,000 0,0 Waste stream disposal 0,000 0,0 0,000 0,0 Subtotal --- variable water cost component 0,540 12,3 0,330 7,7 Total cost of water 4,403 100,0 4,292 100,0 Tabla 5.26. Cálculo del coste variable y total de agua en Canarias y Fortaleza. 67 Project water cost breakdown Fixed cost component Caso Durban Caso Casablanca Caso Hong Kong Euro/m3 % de total Euro/m3 % de total Euro/m3 % de total Capital cost recovery 3,838 94,3 3,901 87,8 3,812 92,5 Labor cost 0,000 0,0 0,000 0,0 0,000 0,0 Maintenance 0,000 0,0 0,000 0,0 0,000 0,0 Environment and performance monitoring 0,000 0,0 0,000 0,0 0,000 0,0 Indirect O&M costs 0,000 0,0 0,000 0,0 0,000 0,0 Subtotal ---- fixed water cost component 3,838 94,3 3,901 87,8 3,812 92,5 Tabla 5.27. Cálculo del coste fijo de agua en Durban, Casablanca y Hong Kong. Variable cost component Caso Durban Caso Casablanca Caso Hong Kong Euro/m3 % de total Euro/m3 % de total Euro/m3 % de total Energy 0,230 5,7 0,540 12,2 0,310 7,5 Chemicals 0,000 0,0 0,000 0,0 0,000 0,0 Replacement of membranes and cartridge filters 0,000 0,0 0,000 0,0 0,000 0,0 Waste stream disposal 0,000 0,0 0,000 0,0 0,000 0,0 Subtotal ---- variable water cost component 0,230 5,7 0,540 12,2 0,310 7,5 Total cost of water 4,069 100,0 4,442 100,0 4,123 100,0 Tabla 5.28. Cálculo del coste variable y total de agua en Durban, Casablanca y Hong Kong. 68 6. CONCLUSIONES 1. Se ha realizado una evaluación preliminar de costes de agua desalada utilizando una tecnología novedosa que está desarrollando la Universidad de Sevilla basada en un sistema de desalación alimentado mediante una micro turbina de gas solar. 2. Tras realizar los cálculos, los costes de agua nos dan valores de alrededor de 4,4 €/m3 que es razonable y lo que se estima esperado ya que los valores mínimos obtenidos en aplicaciones eólicas de gran capacidad en lugares muy favorables son de 1,2-1,8 €/m3 que hace viable nuestro proyecto de planta en cada una de las Ubicaciones. 3. En nuestro proyecto para tener en cuenta cual sería la mejor inversión tendríamos que en el caso de Hong Kong (China) donde tenemos un valor de 1391,38€/(m3/d) sería más favorable para ello en comparación con Fortaleza (Brasil) donde es más alto rondando 1445,96 €/(m3/d) viendo una variación del 4%, un valor cercano al de Fortalez sería el de Casablanca (Marruecos) que sería de 1432,88€/(m3/d). Así que los valores de inversión varían entre ambas cifras teniendo como punto medio las Islas Canarias (España) que sería alrededor de 109,71€/(m3/d) o de Durban (Sudáfrica) con un valor alrededor de 1409,71 €/(m3/d). 4. La influencia en el coste en que la planta de desalación tiene el valor de DNI a partir del cual la planta puede operar, tomando en consideración que lo factible será para valores de 500 o 600 o 700 W/m2 no cambia mucho los valores de costes para nuestra planta. Si habría que considerar en los valores en los que la planta no podría operar en esas horas donde la planta no estaría disponible deberíamos tener en cuenta otro aporte de energía para esas horas en nuestra planta. 5. A partir de la revisión bibliográfica y de productos comerciales realizada, puede concluirse que: Aunque la OI está muy desarrollada, todavía hay oportunidades para reducir aún más el consumo de energía. Estas oportunidades incluyen: reducción de la incrustación a través del tratamiento previo. El desarrollo de membranas más resistentes al ensuciamiento y a los depósitos de sales; el desarrollo de membranas de alto flujo, es decir, alta permeabilidad que permitan reducir la presión de operación; el desarrollo de membranas resistentes a los oxidantes; la mejora de la configuración mecánica de los módulos de membrana y el diseño de su sistema. Desarrollo de diseños de sistemas. 69 Referencias [1] Apuntes Tratamientos aguas/Turbocharger/Sistemas auxiliares, Grado Ingeneiería Tecnologías Industriales,2019 [2] Francisco Virgili, <<Desalination market update>> Third Quarter Assesment, DESALDATA, Octubre 2016. 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