Dimensionamiento de una planta purificadora de tratamiento terciario de aguas residuales alimentada de energía undimotriz

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado universitario en Ingeniería de la Energía Dimensionamiento de una planta purificadora de tratamiento terciario de aguas residuales alimentada de energía undimotriz. Autor: Andrés Luis Sevilla Jódar Tutor: Maria de Lourdes García Rodrígez Dpto. De Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 iii Trabajo Fin de Grado Grado universitario en Ingeniería de la Energía Dimensionamiento de una planta purificadora de tratamiento terciario de aguas residuales alimentada de energía undimotriz. Autor: Andrés Luis Sevilla Jódar Tutor: Maria de Lourdes García Rodrígez Dpto. De Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v Trabajo Fin de Grado: Dimensionamiento de una planta purificadora de tratamiento terciario de aguas residuales alimentada de energía undimotriz. El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2024 El Secretario del Tribunal Autor: Andrés Luis Sevilla Jódar Tutor: Maria de Lourdes García Rodrígez vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos Este trabajo y esta etapa formativa que con el cierro, no hubiera sido posible sin el apoyo incondicional de mis padres, de mi hermana Ana y prima Esperanza. No puedo olvidarme de mis abuelos que he tenido la suerte de conocer y compartir mi vida con ellos, siendo un gran ejemplo de esfuerzo, sacrificio, trabajo y dedicación. También recordar a mis amigos, que a lo largo de este viaje han sido un pilar de risas, buenos momentos que tan necesarios son. Quisiera destacar también la labor de todo el profesorado que ha participado en la formación de toda esta etapa educativa. Por supuesto agradecer a mi tutora Lourdes que ha estado siempre a mi disposición para cualquier duda y problema que me ha surgido a lo largo de este proyecto. Andrés Luis Sevilla Jódar Sevilla, 2024 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: Características convertidores [18]. 9 Tabla 2: Características convertidores [19]. 10 Tabla 3: Resultados simulaciones. 11 Tabla 4: Escala de diferentes parámetros siguiendo la ley de escalamiento de Froude. 29 Tabla 5: Balance producción y demanda. Siendo el valor negativo de la tercera columna un déficit energético, por lo que habría que comprar energía. 44 Tabla 6: Doatación en función del tipo de actividad [32]. 45 Tabla 7: Diferentes configuraciones en función del número de habitantes. Siendo Pn la Potencia nominak del WEC, Pcons la potencia consumida por la instalación de ósmosis inversa. 46 xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Absorbedor puntual (Modelo Undigen W1) [2]. 2 Figura 2: Atenuador puntual [3]. 3 Figura 3: Terminador Wave dragon [4]. 3 Figura 4: Esquema de columna de agua oscilante [5]. 3 Figura 5: Absorbedor de efecto Arquímedes [6]. 4 Figura 6: Absorvedor de cuerpo boyante con referencia fija [7]. 4 Figura 7: Esquema Cuerpo boyante con referencia móvil [8]. 4 Figura 8: Esquema convertidor por rebose [8]. 5 Figura 9: Wave roller [9]. 5 Figura 10: Modelo Penguin [10]. 6 Figura 11: Puertos del estado, conjunto de puntos SIMAR (puntos verdes) y estaciones (puntos rojos) [13]. 6 Figura 12: Datos descargados de Puertos del Estado. 7 Figura 13: Formato definitivo de los datos de Puerto del Estado. 7 Figura 14: configuración instalación [20]. 10 Figura 15: Configuración experimento [21]. 11 Figura 16: Características WECs a estudiar en el programa SAM. 14 Figura 17: Modelo RM3 [25]. 15 Figura 18: Tabla de potencia para RM3 obtenida del SAM. 15 Figura 19: Modelo RM5 [26]. 16 Figura 20: Tabla de potencia para RM5 obtenida del SAM. 16 Figura 21: Modelo RM6 [27]. 17 Figura 22: Tabla de potencia para RM6 obtenida del SAM. 17 Figura 23: Recurso marino en Cabo de Gata. 18 Figura 24: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación Cabo de Gata. 19 Figura 25: Recurso marino Golfo de Cádiz. 20 Figura 26: Cnjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación Golfo de Cádiz. 20 Figura 27: Recurso marino Gran Canaria. 21 Figura 28: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación de Gran Canaria. 21 Figura 29: Recurso marino Tenerife Sur: 22 Figura 30: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación de Tenerife Sur. 23 Figura 31: Recurso marino Bilbao-Vizcaya. 23 Figura 32: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación de Bilbao-Vizcaya. 24 Figura 33: Recurso marino Cabo de Peñas. 25 Figura 34: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación Cabo de Peñas. 25 Figura 35: Recurso marino Villano-Sisargas. 26 Figura 36: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación Villano Sisargas. 26 Figura 37: Recurso marino Cabo Silleiro. 27 Figura 38: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnología para la ubicación Cabo Silleiro. 27 Figura 39: Ley de escalamiento de Froude. 29 Figura 40: Energía producida a diferentes escalas de los tres convertidores en la ubicación Villano-Sisargas. 30 Figura 41: Energía producida entre la potencia nominal a diferentes escalas en la ubicación de Villano-Sisargas. 31 Figura 42: Energía producida a diferentes escalas de los tres convertidores en la ubicación Cabo Silleiro. 31 Figura 43: Energía producida entre la potencia nominal a diferentes escalas en la ubicación de Cabo Silleiro. 32 Figura 44: Esquema de un tubo de presión [28]. 34 Figura 45: Composición del agua a tratar ya introducida en el programa IMS Design. 34 Figura 46: Esquema de nuestro sistema en IMS Design. 35 Figura 47 Opciones de membranas para este caso del programa IMS Design. 35 Figura 48: Simulación IMS Design para ver el caudal de permeado a 15ºC. 36 Figura 49: Simulación IMS Design para ver el caudal de permeado a 22ºC. 36 Figura 50: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado. 37 Figura 51: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado en función del consumo específico, siendo de izquierda a derecha simulación con recuperación del 80%, 81% y 82% a 15ºC. 37 Figura 52: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado en función del consumo específico, siendo de izquierda a derecha simulación con recuperación del 80%, 81% y 82% a 22ºC. 37 Figura 53: Resultado de la simulación, tabla de arriba a 15ºC y tabla de abajo a 22ºC. 38 Figura 54: Simulación IMS Design para ver el caudal de permeado a 15ºC para el segundo caso. 38 Figura 55: Simulación IMS Design para ver el caudal de permeado a 22ºC para el segundo caso. 39 Figura 56: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado del segundo caso para 15ºC. 39 Figura 57: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado del segundo caso para 22ºC. 39 Figura 58: Comparativa consumo específico para distintos tanto por ciento de recuperación para el caso dos a 15ºC y 22ºC. 40 Figura 59: Resultado de la simulación, tabla de arriba a 15ºC y tabla de abajo a 22ºC para el segundo caso. 40 Figura 60: Simulación IMS Design para ver el caudal de permeado a 15ºC para el tercer caso. 41 Figura 61: Simulación IMS Design para ver el caudal de permeado a 22ºC para el tercer caso. 41 xix Figura 62: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado del tercer caso para 15ºC. 41 Figura 63: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado del tercer caso para 22ºC. 42 Figura 64: Comparativa consumo específico para distintos tanto por ciento de recuperación para el caso tres a 15ºC y 22ºC. 42 Figura 65: Resultado de la simulación, tabla de arriba a 15ºC y tabla de abajo a 22ºC para el tercer caso. 43 Figura 66: Distancia Villano-Sisargas y Carballo extraido de Google Maps. 44 1 INTRODUCCIÓN Este capítulo trata de explicar los objetivos por los cuales se ha llevado a cabo este Trabajo Fin de Grado. Además explicaremos la estructura de la memoria de este documento para poder así entenderlo más fácilmente. 1.1. Objetivos. El objetivo principal de este trabajo es dimensionar una planta de tratamiento de agua sostenible. Se pretende lograr que podamos hacer que la energía eléctrica utilizada en procesos de desalación, o en el caso de este trabajo una instalación purificadora de agua a partir de aguas residuales pretratadas, sea renovable. Se analiza en este trabajo el tratamiento terciario de las aguas residuales mediante ósmosis inversa mediante una fuente de energía renovable, la energía de las olas. Para poder llevar a cabo el objetivo principal, primero deberemos seleccionar unos convertidores de energía undimotriz. Luego, para calcular la energía producida deberemos buscar datos ambientales de diferentes ubicaciones de España. Por tanto otro objetivo de este trabajo es encontrar una zona en España que tenga condiciones ambientales para que pueda funcionar de manera correcta los convertidores o en caso de que las condiciones ambientales no sean las óptimas, mediante el escalado de los convertidores hacer que adapte a alguna zona con mejores condiciones ambientales. También deberemos hacer el prediseño de la instalación purificadora de agua salobre, brackish water (BW). Este prediseño lo debemos hacer lo más eficiente energéticamente. Así que otro objetivo es probar diferentes configuraciones para ver cual es la más eficiente energéticamente. Así con esto podemos estimar los consumos de ina instalación que purifique el agua con este sistema de ósmosis inversa. Una vez con la energía producida y el consumo de nuestra instalación purificadora debemos unir el consumo con la producción energética y estima cuantos convertidores necesitamos para suministrar la energía suficiente a nuestra instalación o viceversa ver cuantas instalaciones podemos alimentar con un soslo convertidor. Para concluir en este trabajo hemos realizado análisis energéticos para ver la viabilidad de poder alimentar este tipo de instalaciones de energía eléctrica producida por la energía de las olas. 1.2. Estructura de la memoria. La memoría se encuentra formada por siete capítulos, siendo el primero en el que nos encontramos siendo la introducción donde hemos hecho una breve explicación de los objetivos y ahora estamos explicando la estructura de nuestro trabajo. El segundo consiste en una explicación de la tecnología que convierte la energía de las olas en energía eléctrica y como hemos obtenido los datos ambientales. El trecer capítulo consiste en una revisión bibliográfica de diferentes temas relacionados con el tratamiento de agua mediante ósmosis inversa. El cuarto consiste en todos los cálculos energéticos en diferentes ubicaciones de España y se presenta las tecnologías de los WEC a estudiar en este trabajo. En el quinto capítulo es el capítulo en el que seleccionamos la ubicación donde se va a realizar el estudio entre todas las estudiadas. El sexto capítulo consiste en el prediseño de la instalación purificadora de agua y el acoplamiento de la producción con la demanda. Y por último el capítulo siete es el capítulo en el cual se presentan las conclusiones. 2 2 DESCRIPCIÓN DE LOS WECS Y OBTENCIÓN DE LA POTENCÍA PRODUCIDA 2.1. Tecnologías de aprovechamiento del potencial del mar La energía undimotriz es aquella que se extrae del oleaje. Las olas se forman por la radiación solar incidente sobre la superficie de la Tierra, una parte sirve para un calentamiento desigual de la misma. El suceso provoca en la atmósfera zonas de altas y bajas presiones, generando desplazamientos del aire (viento) de mayor o menor intensidad. El oleaje es una consecuencia del rozamiento del aire sobre la superficie del mar [1]. En el mar hay varios tipos de oscilaciones, la manera que se distinguen las olas es que son oscilaciones de periodo entre 3 y 30 segundos. Los equipos que se usan para convertir esta energía se pueden clasificar según la orientación al frente de ola y también en función de su principio de captación. Según su orientación respecto al frente de ola:  Absorbedores puntuales: consiste en estructuras flotantes pequeñas, suelen ser cilíndricas y por esto van a poder generar energía independientemente de por dónde incida la ola [11]. Una empresa española se dedica a fabricar convertidores de este tipo es Wedge Global que dispone de varios modelos, como el que se obsrva en la Figura 1. Figura 1. Absorbedor puntual (Modelo Undigen W1) [2].  Atenuadores: se colocan paralelos a la dirección de las olas, suelen ser estructuras largas que van extrayendo energía de modo progresivo [11]. En este caso, se disponen segmentos flotantes interconectados perpendicularmente a las olas que llegan. El oleaje produce un movimiento de flexión que activa las bombas hidráulicas que generan la electricidad. Un modelo comercial de esta tecnología es Pelamis Wave Power. En la Figura 2 se observa un atenuador puntual. 3 Figura 2: Atenuador puntual [3].  Terminadores: son también suelen ser de gran tamaño están situados perpendicularmente de avance de ola e intentan captar la energía de una sola vez [11]. Un modelo comercial de este tipo es Wave dragon, se puede observar en la Figura 3. Figura 3: Terminador Wave dragon [4]. Según el principio de captación:  Columna de agua oscilante (OWC): aprovechando la oscilación del oleaje, generan sobrepresiones y vacío en una cámara de aire causando un flujo que es utilizado para mover una turbina. Pueden usarse en tierra firme o ser flotantes [11]. En la Figura 4 se puede observar el funcionamiento de un convertidor de este tipo. La turbian que se use tiene que ser bidireccional. Un modelo comercial es OE buoy de ocean energy, siendo este flotante y un ejemplo que este en tierra es la central de Mutriku. Figura 4: Esquema de columna de agua oscilante [5]. 4  Efecto Arquímedes: Basan su funcionamiento en la fluctuación de la presión dinámica originada por la oscilación del nivel de la columna agua al paso de las olas [11]. Estos dispositivos suelen colocarse cerca de la costa. Un modelo en uso es el CETO III de la empresa REH o el Archimedes wave swing, este modelo se puede observar en la Figura 5. Figura 5: Absorbedor de efecto Arquímedes [6].  Cuerpo boyante con referencia fija: Boyas que flotan libremente con un elemento de amarre que incorpora el sistema de extracción de energía [11]. La empresa Corpower Ocean tiene un proyecto de una planta de energía con esta tecnología, este se puede observar en la Figura 6. Figura 6: Absorvedor de cuerpo boyante con referencia fija [7].  Cuerpo boyante con referencia móvil: sistema flotante donde la energía se extrae por el movimiento relativo de las diferentes partes de la estructura [11]. Un modelo comercial es el que tiene la empresa Pelamis Wave Power con el modelo P1 y el P2. El funcionamiento de este tipo de convertidores se puede observar en la Figura 7. Figura 7: Esquema Cuerpo boyante con referencia móvil [8]. 5  Rebose: Pueden ser flotantes o fijos al fondo, almacenan el agua del oleaje que incide para accionar una turbina. Aprovechan, por lo tanto, la energía potencial [11]. Actualmente existe el modelo comercial wave dragon mencionando anteriormente. El funcionamiento de este convertidor se observa en la Figura 8. Figura 8: Esquema convertidor por rebose [8].  Impacto o pendulares: Aprovechan la energía horizontal de las olas para mover un pistón que a su vez acciona la turbina. Aprovechan una cantidad pequeña de la energía contenida en la ola [11]. Actualmente la empresa AW Energy está desarrollando el modelo Wave Roller, este modelo se observa en la Figura 9. Figura 9: Wave roller [9].  Masa rotacional: Sistemas flotantes que aprovechan el balanceo y el cabeceo para mover una masa excéntrica [11]. La empresa Wello esta desarrollando el modelo Penguin, se puede observar en la Figura 10. 12 El rendimiento del CDI sin tener en cuenta el tamaño de los iones fue generalmente mejor que el teniéndolo. Para mejorar el proceso CDI usaremos diferentes medios para disminuir el tamaño efectivo de los iones un ejemplo es utilizar ondas electromagnéticas para romper la hidratación de los iones [21]. Otro estudio que hemos visto, se centra en nuevos mecanismos de separación iónica que pueden mejorar el transporte iónico de procesos de electro membrana a través de una corriente excesiva (OLC), ya que los procesos que usan una electro membrana, como puede ser la electrodiálisis (ED), están limitados por la difusión. Para diseñar y operar procesos de electro membrana necesitamos conocer difusión limitada (DLC). Generalmente se estima representando la densidad de corriente en función de la diferencia de potencial, y generalmente hay tres regiones en estas gráficas (Primer tramo la corriente aumenta linealmente con el voltaje, segundo tramo aumento gradual de la corriente con el voltaje, formando una meseta y último tramo, aumenta el voltaje provocando un drástico crecimiento de la corriente en el régimen de corriente excesiva). Normalmente se opera en el primero de este para evitar la disociación del agua, a pesar que hay estudios que aplicando OLC mejora la eliminación de contaminantes diluidos. La OLC se produce por tres mecanismos: recciones de disociación del agua, convección inducida de la corriente y fuga de cationes. Usando OLC se puede mejorar la transferencia de corriente a través de electromembranas. Algunas técnicas que se pueden usar:  El transporte de iones en sistemas de micro/nanofluidos: este método consiste en que se construyen canales a nivel microscopio aplicándole una diferencia de potencial para así poder tener una corriente excesiva.  Ondas de choque de desionización: consiste en cargar las celdas del medio poroso de la electro membrana, aumentando así el transporte de iones.  Electrodiálisis de choque (ED choque): se refiere a un proceso de separaciones que se basa en choques de desionización en medios porosos. En el shock ED, un electrolito se transporta al material poroso débilmente cargada con poros de tamaño micrométrico que se coloca entre las membranas de intercambio iónico y los electrodos. Teniendo un buen rendimiento de desalinización.  "Puentes iónicos" para la desionización profunda en sistemas de electro desionización (EDI): es la última forma de superar el DLC expuesta en este estudio y consiste que introducir medios conductores dentro de una celda de electro membrana, es posible lograr una desionización continua o eliminación iónica en una solución diluida que tiene una alta resistencia eléctrica [22]. 3.3 Otras aplicaciones de las membranas en el tratamiento de agua En este aparatdo veremos un estudio que se basa en el desarrollado la tecnología de separación mediante membranas para muchas aplicaciones en la industria. En este estudio nos centraremos en su uso para el tratamiento de efluentes. Las membranas son un sistema de barrera semipermeable que separa selectivamente las moléculas en función de su tamaño y forma. Las características de la membrana son muy importante durante el proceso de separación. Se pueden clasificar según su morfología (densas homogéneas, membranas porosas y membranas de película delgada) y según su uniformidad de composición (isotrópicas y anisotrópicas). También el módulo de la membrana influye en al rendimiento de la membrana, existe cuatro módulos (placa y módulo, tubulares, huecos y enrollados). Los efluentes industriales de origen químico destacan por tener aceite, grasas, COD/BOD, metales pesados, compuestos organohalogenados y otros conceptos nocivos. En este tipo de industrias se pude usar para generar un producto como es el caso de la sosa caustica para la industria textil o para filtrar las aguas residuales como hay estudios para el petróleo, las aguas residuales de una desalinizadora, para el tratamiento terciario a partir de osmosis inversa entre otros. Los efluentes de la industria alimentarios y lácteos consisten en una alta concentración de sólidos, BOD, COD, aceites, grasas, azúcares, colorantes, conservantes, microbios y otros nutrientes. Se propuso que el proceso recuperara el 95% de las aguas residuales, y el agua recuperada podría utilizarse para la limpieza de tinas y calderas, aunque se puede mejorar el proceso de osmosis inversa y mejoraría el nivel de agua potable. Esto haría 13 que a nivel económico fuera muy rentable. Los efluentes de destilerías y bebidas efluentes consisten en productos de desecho altamente recalcitrantes, flóculos biológicos, COD, BOD, furfurales, colorantes, materias orgánicas y otros nutrientes. Se estudia la nanofiltración para la eliminación de COD y el color, también la microfiltración y la ultrafiltación para limpiar aguas residuales de las destilerías. Los efluentes de galvanoplastia y circuitos impresos impulsados por la industria eléctrica y electrónica, el efluente generado de estas industrias contiene compuestos de cianuro tóxicos, alta COD/BOD, color, turbidez, sólidos suspendidos, sólidos disueltos y metales pesados. Se estudió la fabricaron membranas de fibra hueca de nanofiltración compuestas de película delgada para estudiar el rendimiento de la membrana y además, se propone que las matrices de membranas de varias etapas es una buena opción para mejorar la eficiencia de eliminación. Los efluentes industriales de papel y celulosa consisten en sólidos totales, haluros orgánicos absorbibles, alto contenido de COD/BOD, compuestos clorados, colorantes y compuestos orgánicos. Se realizaron estudios de la membrana de canasta giratoria, concluyendo que la ultrafiltración con membrana de cesta giratoria exhibía un bajo consumo de energía. Los efluentes medicinales contienen desechos sucios, desechos sólidos, desechos líquidos, cenizas de incineración, productos químicos, desechos biotecnológicos, microbios y materias orgánicas. Existen varios estudios, como desarrollo una membrana de nanofiltración sensible al pH con polisulfona/ácido poliacrílico, un sistema de biorreactor de membrana sumergida tipo Ludzack-Ettinger. Los efluentes industriales de textiles y tintes son los altos sólidos en suspensión, las enzimas, los metales pesados, la COD, el color, la acidez y otras sustancias solubles. Existen también varios estudios, como por ejemplo fabricaron una membrana de nanofiltración híbrida cargada positivamente con nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados con trietilentetramina para el tratamiento de aguas residuales de tintes, entre otros. Para concluir podemos ver que esta tecnología es muy importante para poder reutilizar las aguas residuales de las industrias [23]. 3.4. Análisis de resultados En este capítulo hemos hecho una revisión bibliográfica de temas relacionados con nuestro trabajo, purificación de agua a través del uso de tecnología de ósmosis inversa. Nos hemos centrado en tres aspectos, el primero es el uso de WEC para la producción de energía eléctrica que alimente a un tratamiento de agua por ósmosis inversa, otro es la obtención de agua ultrapura a partir de aguas de baja salinidad y por último el uso de la tecnología de ósmosis inversa para el tratamiento de aguas. Respecto el uso de convertidores para abastecer las necesidades eléctricas de estos procesos la literatura nos muestra que en el estudio de las plantas desalinizadoras flotantes móviles son una buena alternativa para abastecer a regiones alejadas de la red, pero el caso de la una estudiada en Ras Ghareb en Egipto no se adapta bien a las condiciones del mar. También se ha estudiado la instalación de una desaladora en Gran Canaria que se alimente de energía de las olas o de la energía undimotriz y la energía producida por una instalación fotovoltaica, siendo la segunda configuración no en todos los casos estudiado, que depende del convertidor, el que mejor se acopla a la demanda. Y por último el último artículo estudiado nos muestra que el uso de WEC o de otras tecnologías renovables proporciona suministro insufieciente por los agujeros de la producción y recomienda el uso de sistemas híbridos. Para el uso de ósmosis inversa para la producción de agua ultrapura los artículos esdtudiados nos muestra procesos de mejora de ciertos procesos como el caso del primero que consiste en la mejora del rendimiento de la desionización capacitiva, que sirve para la desmineralización electroquímica del agua. El otro artículo estudiado trata de nuevos mecanismos de separación iónica que pueden mejorar el transporte iónico de procesos de electro membrana a través de una corriente excesiva. Por último el apartado de este capítulo sobre el uso de ósmosis inversa para el tratamiento de agua nos muestra que en distintos tipos de industrias producen efluentes con ciertos componentes que pueden ser tratados con ósmosis inversa y así purificar el agua. 14 4 CÁLCULO ENERGÍA. 4.1 Descripción de los equipos a estudiar. A partir de los datos obtenidos anteriormente para nuestras cuatro ubicaciones tendremos que estudiar la potencia que puede generarse mediante diferentes tipos de convertidores. Para nuestro estudio analizaremos tres convertidores, que serán los que se encuentra en el programa System Advisor Model (SAM), que son los que se pueden observar en la Figura 14. Figura 16: Características WECs a estudiar en el programa SAM. Estos tres formán parte de un estudio con el objetivo de comparar el rendimiento el coste normalizado de la energía (LCOE), de los diseños del software código abierto de los convertidores de energía undimotriz. El estudio es el Reference Model Project (RMP) llevado a cabo por Sandia National Laboratories (SNL), con la asociación del Department of Energy (DOE) y tres laboratorios nacionales, entre ellos el National Renewable Energy Laboratory (NREL), el Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) y el Oak Ridge National Laboratory (ORNL), el Applied Research Laboratory de la Penn State University y Re Vision Consulting [24]. El estudio mencionado estudia seis dsipositivos aunque nosotros solo usaremos el RM3, RM5 y RM6. 4.1.2 Modelo RM3 El Reference Model 3 (RM3), es un convertidor de energía undimotriz que según nuestra clasificación previa es según su orientación respecto el frente de ola un absorbedor puntual y según su principio de captación cuerpo boyante con referencia fija. El diseño del dispositivo consiste en un flotador en la superficie que oscila con el movimiento de las olas, que se conecta a una placa de reacción subsuperficial. El emplazamiento para el que se diseñó para la costa de Eureka, en el condado de Humboldt, en California [25]. Este absorbedor puntual, con una potencia nominal de 286 kW, convierte la energía de las olas en energía eléctrica a partir de la oscilación del dispositivo por las olas incidentes como se ha mencionado anteriormente; el flotador está diseñado para oscilar arriba y abajo del eje vertical hasta 4 m. El fondo de la placa de reacción está a unos 35 m por debajo de la superficie del agua. El dispositivo está diseñado para desplegarse a profundidades de entre 40 y 100 m. El absorbedor puntual también está conectado a un sistema de amarre para mantener el dispositivo flotante en posición [25]. En la Figura 17, se puede ver una imagen de este convertidor. 15 Figura 17: Modelo RM3 [25]. Los diferentes datos que necesitamos para el cálculo de la potencia producida lo cogeremos del software mencionado anteriormente SAM. Estos datos es una tabla en la cual en función de la altura significante (m) y el periodo de la ola (s) obtendremos la potencia, esta tabla se observa en la Figura 18. Figura 18: Tabla de potencia para RM3 obtenida del SAM. En este programa también nos ofrece otros datos interesantes como los costes. Uno de los costes que nos ofrece el programa coste del dispositivo teniendo en cuenta el coste del ensamblaje de la estructura, costo del sistema de arranque y los costos del amarre, cimentación y subestructura siendo un total de 295.243.512 $. Otro es el balance del sistema (BOS) que incluye el coste de desarrollo, el costo de la ingeniería, costo de la infraestructura eléctrica, costo de la puesta en maracha de la planta, los costes de acceso a la ubicación, costes de la instalación y los costes de alguna estructura adicional, siendo un total de 68.823.486 $. También nos muestra el coste financiero, que incluye presupuesto del proyecto, seguro durante la construcción, reserve y algún coste adicional, siendo este un total de 6.031.269 $. Y por último el coste de operación y mantenimiento, que este se desglosa en los costes derivados de la operación y los derivados del mantenimiento siendo un total de 5.321.317 $. 4.1.2 Modelo RM5 El Reference Model 5 (RM5), es un convertidor de energía undimotriz que según nuestra clasificación previa es según su orientación respecto el frente de ola un terminador y según su principio de captación es de impacto o pendulares. Al igual del modelo RM3 fue diseñado para la costa de Eureka, en el condado de Humboldt, en California [26]. El diseño RM5 tiene una potencia nominal de 360 kW, utiliza una aleta de 25 m de ancho y 19 m de alto (16 m 16 de calado) y la distancia desde la parte superior de la aleta perforadora de la superficie del agua hasta la superficie media del agua es de 1.5 m. La aleta está conectada a un eje con un diámetro de 3 m que gira contra el bastidor de soporte. Se supone que el bastidor de soporte tiene un diámetro exterior de 2 m, y la longitud total de la estructura del dispositivo es de 45 m. Hay que tener en cuenta que fue diseñado para desplegarse en aguas profundas, a profundidades de entre 50 my 100 m, y fue amarrado por tensión al lecho marino [26]. Se puede observer como ese n la Figura 19. Figura 19: Modelo RM5 [26]. Al igual que para el RM3 para el cálculo de la potencia cogeremos los datos de una tabla similar de potencia del programa SAM, esta se encuentra en la Figura 20. Figura 20: Tabla de potencia para RM5 obtenida del SAM. Al igual que para el convertidor RM3 usaremos el programa SAM para ver los diferentes costes que tiene esta tecnología, el coste del dispositivo es de 370.356.599 $, el balance del Sistema (BOS) es 90.545.448 $, el coste financier es de 40.390.367 $ y por último el coste de operación y mantenimiento es de 6.526.909 $. El desglose de los diferentes costes es igual que en la tecnología anterior. 4.1.3 Modelo RM6 El Reference Model 6 (RM6), es un convertidor de energía undimotriz que según nuestra clasificación previa es según su orientación respecto el frente de ola un terminador y según su principio de captación es de columna de agua oscilante (OWC). El diseño al igual que los anteriores se penso para Eureka, California. Su potencia nominal a la que esta diseñado es de 350.5 kW. 17 El convertidor está diseñado para capturar la mayor cantidad de energía disponible de las ondas incidentes. Esto está dictado principalmente por la estructura física y los controles (implementados a través de la cadena de conversión de energía) utilizados para influir en la dinámica de la estructura física. La energía neumática se convierte luego en energía eléctrica mediante el uso de una turbina de aire conectada a un generador eléctrico. La electricidad producida se acondiciona antes de su inserción en la red eléctrica local [27]. A destacar es la turbine de aire usada, que es una turbine Wells que destaca por ser bidireccional y así poder aprovechar el flujo de aire tanto para los momentos de sobrepresión del dispositivo y los de depresión. Se puede observer este modelo de convertidor en la Figura 21. Figura 21: Modelo RM6 [27]. Al igual que los dos convertidores anteriores tenemos que usar el programa SAM para obtener la tabla para calcular la potencia, esta se encuentra en la Figura 22. Figura 22: Tabla de potencia para RM6 obtenida del SAM. Al igual que para los convertidores anteriores usaremos el programa SAM para ver los diferentes costes que tiene esta tecnología, el coste del dispositivo es de 606.056.832 $, el balance del Sistema (BOS) es 95.442.048 $, el coste financier es de 61.475.072 $ y por último el coste de operación y mantenimiento es de 6.386.259 $. El desglose de los diferentes costes es igual que en las tecnologías anteriores. 4.2 Cálculo de la energía. Para calacular la potencia lo haremso de igual manera para los tres convertidores, a partir de los datos obtenidos anteriormente mediante Puerto del Estado y las tablas de potencia mostrada en el apartado anterior. 18 De los datos oceánicos obtenidos solo usaremos dos; las altura significante (m) y el periodo medio (s); que en nuestra tabla son la columna 2 y 3. Para sacar el valor de potencia, debemos buscar en las tablas de potencia el valor de la altura para las filas y en las columnas el valor del periodo y así obtener la energía que produciría ese convertidor en la hora determinada. Para poder hacerlo para todas las horas del año usaremos el programa Excel, en este debemos usar la función “COINCIDIR”, para así poder buscar tanto en las filas como en las columnas un valor igual o inferior del valor de los datos de Puerto del Estado. Para el caso de buscar las filas, es decir, la altura significante hay un problema, ya que en muchas franjas horarias esta altura es menor a 0.25, que es el valor minimo que nos ofrece la tabla de potencia; así que para el caso de filas además hay que usar la función “SI” y así cuando la altura sea menor que 0.25 la potencia producida será 0. Y ya finalmente para poder sacar la potencia de la tabla usaremos la función “INDICE”, la cuál dando el número de fila y de columna nos da el valor que corresponde y así finalmente obtener la energía producida en esa hora. 4.2.1 Cabo de Gata. A partir de los datos de altura significante y periodo medio haremos una tabla de dispersion para así poder hacer un análisis previo del recurso que disponemos en esta zona. Elegimos este tipo de gráfico ya que nos muestra a simple vista la frecuencia en la cuál ocurre los sucesos. Figura 23: Recurso marino en Cabo de Gata. Como podemos ver comparando la Figura 23 con las tablas de potencia de los tres convertidores (Figura 18, Figura 20 y Figura 22), que la mayor parte del tiempo los datos oceánicos se encuentra lejos de las zonas, respecto la altura y el periodo, donde se produce energía a su potencia nominal. Para ningún convertidor operará prácticamente potencia nominal. 19 Figura 24: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación Cabo de Gata. Lo primero a decir del resultado es que gran parte de los días la producción de los tres convertidores ha sido o prácticamente cero, como se puede ver al menos en el caso de RM6 en la Figura 24 en las gráficas de los día 14/02/2023, 27/05/2023 y 08/08/2023. Se ve también a simple vista que el convertidor RM5 es el que más energía produce y el más constante, esto se puede ver en la Figura 18, ya que con una frecuencia igual o mayor a 4.5 segundos, con muy poca altura significante puede producir valores similares a la potencia nominal, al contrario que pasa con los convertidores RM3 y RM6 que necesitamos una frecuencia considerable para que con una altura relativamente baja pueda producir volores cercanos a los nominales. También decir que lo que sucede en la Figura 24 en la del día 02/11/2023 que la producción del convertidor RM6 supere el valor de la producción del RM3 es posible ya que la potencia nominal de RM6 es mayor que RM3 pero para que ello suceda debe operar en condiciones nominales. El convertidor RM3 no es una mala alternativa entre las tres opciones que tenemos ya que cuando produce lo hace de manera constante aunque los valores sean bastante alejados a los valores nominales. El convertidor RM5 es el que más produce de los tres de manera más constante así que sería la alternativa que cogería. Por último el convertidor RM6 prácticamente no produce nada y si es cierto que como he mencionado antes puede llegar a producir más que el RM3, pero en la ubicación en la que estamos no se dan la situación de operación nominal. Para concluir entre los tres convertidores que hemos estudiado eligiría el RM5 por que práctimente siempre produce aunque algunos días volores muy bajos y otros no produce. También quiero recalcar que ninguno prácticamente opera a valores nominales y considero que se debería de usar otras tecnologías que estuviesen especialmente diseñadas para las condiciones de la ubicación de la boya de Cabo de Gata. 4.2.2 Golfo de Cádiz Al igual que para el caso anterior debemos hacer un gráfico de dispersion con el recurso disponible que tenemos en la ubicación de la boya del Golfo de Cádiz, a partir de los datos de Puerto del Estado y así podernos hacernos una primera idea del recurso disponible. Esto lo observamos en la Figura 25. 20 Figura 25: Recurso marino Golfo de Cádiz. Comparando la Figura 25 con las tablas de potencia de las tres tecnlogías (Figura 18, Figura 20, Figura 22), podemos ver que la mayor parte del tiempo operará fuera de la zona de operación en condiciones de la potencia nominal, a pesar de esto en comparación con el recurso marino del Cabo de Gata, hay más recurso en la zona de operación nominal. Figura 26: Cnjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación Golfo de Cádiz. Al igual que el caso de Cabo de Gata aquí también algunos días la producción de energía es nula o valores muy bajos a pesar de esto como hemos mencionado antes el Golfo de Cádiz se adapta mejor las condiciones oceanográficas a los valores nominales de los convertidores, pero no quita los valores nulos algunos días. El caso del convertidor RM6 es el que más produce, pero la mayor parte del tiempo su producción es nula, como podemos ver en la Figura 26 en las gráficas de los días 03/05/2023 y 08/08/2023; en el resto de días que están representado en la Figura 26 una gran parte del tiempo tiene producción nula o valores similares, a pesar de esto hay momentos que llega a ser respecto las otras tecnologías la que más produce. El convertidor RM5 es el que más produce de manera más constante en el tiempo, esto no quita que fuera de los días que están representado hay días que no produce, pero por lo general produce de manera constante pero casi siempre valores alejados a la potencia nominal. El convertidor RM3 como norma general sigue la tendencia del RM5 pero con menor potencia y además tiene más días que no produce nada de energía. En resumen el convertidor RM3 tiene una producción más o menos constante con valores bastantes bajos, alejados de su potencia nominal de 286 kW y también muchos días que no produce. El convertidor RM5 es el que más produce y de manera constante es de destacar que incluso en algunos momentos que los otros dos convertidores no producen este produce muy poca energía, aunque también hay momentos donde no produce, también comentar que la mayor parte del tiempo este produce valores alejado a su potencia nominal de 360 kW. 21 El convertidor RM6 la mayor parte del tiempo como se ha mencionado antes la mayor parte del tiempo no produce así que este no lo eligiría. Para terminar de analizar esta ubicación, eligiría el convertidor RM5 por lo dicho anteriormente, a pesar de esto este convertidor no se adapta del todo bien a nuestra ubicación porque opera la mayor parte del tiempo fuera del rango de potencia nominal, aunque en comparación con la zona del Cabo de Gata esta tecnología se adapta mejor al Golfo de Cádiz. Igualmente considero que se debería de instalar otro tipo de convertidor que se adapte mejor a la zona. 4.2.3 Gran Canaria. Haremos primero nuestra gráfica de dispersión para así hacer un análisis previo del recurso marino, a partir de los datos obtenidos de Puertos del Estado, en la boya de Gran Canaria situado al norte de esta isla, se puede observer en la Gráfica 5. Figura 27: Recurso marino Gran Canaria. La comparación de la Figura 27 con tablas de potencia de los convertidores (Figura 18, Figura 20, Figura 22), nos permite ver que el recurso energético disponible se encuentra fuera del rango de operación de la potencia nominal de los tres convertidores. Figura 28: Conjunto de gráficas que representan la producción de energía en cinco días para las tres tecnologías para la ubicación de Gran Canaria. Lo primero que hay que mencionar es que para los convertidores RM3 y RM5 en esta ubicación, respecto las dos anetriores es la que menos tiempo no produce nada, aunque si que hay franjas de tiempo que no produce nada y cuando producen la mayor parte del tiempo opera en condiciones alejadas a las nominales haciendo que produzca menos energía que para lo que están diseñados estos convertidores. Un ejemplo en ambos casos mencionados, para el caso de producción de energía cercano a los valores nominales es en la Figura 28 el día 22/10/2023 y para el caso de producción alejado a los valores nominales en la misma gráfica los días 16/02/2023, 28 A la hora de seleccionar uno de los tres convertidores estudiados sería el convertidor RM5, porque es el que mejor se adapta a las condiciones de la zona, pero aquí también vuelvo a mencionar que se debería usar otra fuente de energía para compensar los huecos. 4.3. Análsis de resultados. En este capítulo una vez explicado el funcionamiento de nuestros tres convertidores a estudiar que son el modelo RM3, el modelo RM5 y el modelo RM6, se han usado las tablas de producción de potencia de estos convertidores y se ha establecido la producción de energía anual en distintas ubicaciones. Las ubicaciones donde hemos realizado los estudios de producción energética son boyas donde se hacen mediciones ambientales y las ubicaciones son Cabo de Gata, Golfo de Cádiz, Gran Canaria, Tenerife Sur, Bilbao-Vizcaya, Cabo de Peñas, Villano-Sisargas y Cabo Silleiro. En todas ellas mediante el uso de la hoja de cálculo excell, como se explica en los aparatados anteriores de este capítulo, calcularemos la energía producida anualmente a partir de los datos de altura significante de ola y periodo obtenidos en el capítulo 2. Como norma general estos convertidores estudiados no se adaptan bien a las ubicaciones funcionando siempre por debajo de su potencia nominal la mayor parte del tiempo, destacando principalmente el convertidor RM5, que en todas las ubicaciones es el que más energía produce y más se acerca al funcionamiento en potencia nominal en comparación con los otros dos WEC. A destacar las ubicaciones de la boya de Villano-Sisargas y la boya de Cabo Silleiro, ya que de las ocho estudiadas son las que más energía produce. Por tanto lo que haremos en los apartados siguientes será estudiar como adaptar estos convertidores estudiados a estas dos ubicaciones y ver cual de estas dos nos interesa más. 29 5 SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN 5.1 Principio teórico del escalado Para escalar un convertidor usaremos la ley de Foude, que se puede ver desarrollada en la Figura 39. Figura 39: Ley de escalamiento de Froude. Los resultados de aplicar esta ley en los convertidores se puede observar en Tabla 4. Tabla 4: Escala de diferentes parámetros siguiendo la ley de escalamiento de Froude. Hay que tener en cuenta al escalar de otros parámetros, que no dominan la inercia, depende de otros parámetros específicos leyes de escalado, lo que significa que, por ejemplo, las dimensiones no se escalan de la misma manera como compresibilidad o como fricción. Esto hace que sea particularmente difícil escalar estos sistemas. 5.2 Escalados de los WECs estudiados En esta parte lo que haremos será estudiar diferentes escalas de los convertidores, para poder ver así como se adapta a las diferentes zonas. Lo primero que haremos será descartar las zonas donde menos recurso marino hay y estudiar este escalado en las dos zonas donde más potencial energético hay. Por esto las zonas que estudiaremos en esta parte son la zona donde está la boya de Villano-Sisargas y la boya de Cabo Silleiro. 30 Ahora deberemos adaptar la matriz de potencia según la ley de escalamiento de Froude descrita en la Tabla 1. La altura significante la escalaremos como el parámetro “Length” de la Tabla 1, el periodo de la ola lo haremos como el parámetro “Time” de la misma tabla también y como último la potencia lo haremos como el parámetro “Power” de la misma tabla. Realizaremos esto con los tres convertidores en estas dos zonas para ver si escalándolo se adapta mejor a la zona uno u otro. El resultado de la producción total de energía en la ubicación de Villano-Sisargas, se puede observar en la Figura 40. Figura 40: Energía producida a diferentes escalas de los tres convertidores en la ubicación Villano-Sisargas. La hipótesis original consistía en reducir la escala para que más cantidad de oleaje entre en el rango de funcionamiento nominal, ya que el principal problema de esta ubicación es que operaba principalmente alejado del punto de funcionamiento nominal. Pero como se observa en la Figura 2 conforme más disminuimos la escala menos energía produce, esto se debe que a pesar de que cada vez opere durante más tiempo en condiciones nominales, la energía a la hora de escalarla se reduce de manera exponencial en orden del valor de la escala elevado a 3.5. En resumen la única manera de que escalar los convertidores produzca más energía es haciéndolo más grande, como es el caso de la escala 1:3/2, que se observa en la Figura 2. Pero esto ocasiona un problema que en los rangos de olas de nuestra ubicación, operarán conforme se vaya aumentando la escala menos tiempo en el rango nominal. A continuación veremos que escala se adapta mejor a la zona de Villano-Sisargas. Para esto lo que haremos será dividir la producción de energía entre la potencia nominal en las diferentes escalas, haciendo que las horas que produzcan a potencia nominal este valor sea 1, y las horas que operen por debajo del rango nominal valdrán menos. Así sumando todas las horas del año veremos que en la escala que esta suma sea mayor es la que mejor se adapta a esta zona. Todo esto se verá en la Figura 41. 31 Figura 41: Energía producida entre la potencia nominal a diferentes escalas en la ubicación de Villano-Sisargas. Como resultado de lo descrito anteriormente obtenemos, que para esta ubicación el modelo RM3 la escala que mejor se adapta es 1:2/5 con una potencia nominal de 11.58 kW, para el modelo RM5 la escala 1:1/2 con una potencia nominal de 31.82 kW y por último para el modelo RM6 la escala 1:2/5 con una potencia nominal de 14.19 kW. El modelo que elegiría en esta zona sería el RM5, por dos razones, en todas las escalas es el que más produce y también porque la escala en la que se adapta es mayor teniendo una potencia nominal mayor que el resto. La potencia nominal del convertidor escalado es muy pequeña, la manera en la que se puede solucionar para poder generar energía suficiente para alimentar una instalación sería poniendo múltiples unidades de este. A continuación haremos lo mismo para la boya de Cabo Silleiro y al igual que el caso anterior lo haremos con los tres convertidores. El resultado de la producción total de energía en esta ubicación se encuentra en la Figura 42. Figura 42: Energía producida a diferentes escalas de los tres convertidores en la ubicación Cabo Silleiro. Al igual que en la ubicación anterior tenemos el problema que conforme mayor sea su escala mayor energía produce pero peor se adapta a la ubicación. También se puede observar en la Figura 42 que en esta ubicación al igual que en la anterior independientemente de su escala el convertidor que más energía produce es el modelo RM5. Ahora, igual que en el caso de la ubicación anterior veremos que escala se adapta mejor con las condiciones de periodo medio y altura significante en esta ubicación. Lo haremos de igual manera dividiendo la potencia 32 producida en una hora entre la potencia nominal de cada escala. Esto se puede observar en la Figura 43. Figura 43: Energía producida entre la potencia nominal a diferentes escalas en la ubicación de Cabo Silleiro. El resultado de este cálculo, es que para esta ubicación los tres modelos la escala que mejor se adapta es la 1:2/5, con potencia nominal del convertidor RM3 de 11.58 kW, el modelo RM5 de 14.57 kW y el RM6 14.19 kW. En esta ubicación elegiría el modelo RM5, ya que, es el que más energía produce, a pesar de que en la escala que mejor se adapta tiene una potencia nominal muy baja y para solucionarlo tendría que poner más convertidores. Para concluir entra estas dos ubicaciones elegiría la de Villano-Sisargas, debido que el modelo RM5 la escala que se adapta en esta ubicación es mayor que en Cabo Silleiro por lo que necesitaría menor cantidad de convertidores para poder suministrar energía a la instalación de ósmosis inversa. 5.3 Análisis de resultados. En este capítulo se ha buscado una ubicación entre las dos que más energía generaban, que eran la ubicación de Cabo Silleiro y la ubicación de Villano Sisargas, sabemos que son las que más energía producen por los cálculos eneergéticos realizados en el capítulo 4. Lo primero que hacemos en este capítulo es estudiar como se escala las magnitudes del escalado, estas se pueden ver en la Tabla 4. Las magnitudes a escalar son la altura significante que su unidad son metros, el periodo de ola que su unidad es segundo y la potencia que la unidad es kilovatio. Para la altura para escalarlo necesitamos multiplicar nuestra magnitude por el factor de escalado, para el periodo necesitamos elevar el factor de escalado a 0.5, es decir hacerle la raíz cuadrada y multiplicarlo por la magnitud a escalar y finalmente la potencia el factor de escalado lo elevamos a 3.5 y lo múltiplicamos por la magnitud. Así las tablas de potencia de los tres convertidores, que se pueden ver en la Figura 18, Figura 20 y la Figura 22, las podemos tener en diferentes escalas. A continuación lo descrito anteriormente lo hemos realizado en distintas escalas que son 1:3/2, 1:9/10, 1:4/5, 1:3/4, 1:3/5, 1:1/2, 1:2/5 y 1:3/10, para lost res modelos de convertidores, RM3, RM5 y RM6. Una vez obtenidas las tablas de potencias de los convertidores es calcular la energía producida anualmente en las dos ubicaciones seleccionadas, y podemos ver que conforme mayor sea la escala más será la energía producida, pero eso no significa que sea la major se ha adaptado a la ubicación. Para ver cual escala se adapta lo que tenemos que hacer es divider la energía producida cada hora entre la potencia nominal escalada, por lo que si es uno es que funciona a potencia nominal que es lo que queremos, así cuanto mayor sea la suma de esta division major será la adaptación de este convertidor a la ubicación. 33 Los convertidores RM3 y RM6 son los que menos energía produce en las dos ubicaciones, además de no adaptarse igual de bien que lo hace el convertidor modelo RM5, así que para ambas ubicaciones debemos elegirlo. En la ubicación Villano-Sisargas, la escala que mejor se adapta es 1:1/2, con una potencia nominal de 31.82 kW y en la ubicación Cabo Silleiro 1:2/5 con una potencia nominal de 14.57 kW. La ubicación que elegiremos será Villano-Sisargas, debido que la escala que se adapta major a esta ubicación tiene una potencia nominal mayor que en la ubicación de Cabo Silleiro y además la producción de energía es un poco mayaor en Villano-Sisargas. 34 6 PREDISEÑO INSTALACIÓN PURIFICADORA DE AGUA 6.1. Diseño instalación. En este apartado nos encargaremos de diseñar con el programa comercial IMS Design, de la empresa Hydranautics, el tubo de presión de nuestra desaladora. Nuestra instalación desalinizadora al encontrarse en la ubicación de la boya de Villano-Sisargas, en Galicia, no tiene mucho sentido que sirva para desalinizar agua del mar para producer agua potable, así que se encargará de filtrar el agua de salida de un proceso terciario de una planta de tratamiento de aguas residuales. Los tubos de presión o membranas de ósmosis inversa son membranas semipermeables que separa dos soluciones con distinta concentración en la cual, al aplicar una presión superior a la presión osmótica en el lado de mayor concentración se produce un flujo de agua que va desde la solución con mayor salinidad hasta otra de menor salinidad. Se puede observar en la Figura 44. Figura 44: Esquema de un tubo de presión [28]. Como hemos dicho antes, el agua que se va a tratar no es agua de mar sino aguas residuales con la composición que se puede ver en la Figura 45. Esta composición es la típica de este tipo de corrientes de agua que se ha extraido de un estudio dedicado a la composición a este tipo de aguas [29]. Figura 45: Composición del agua a tratar ya introducida en el programa IMS Design. 35 El tipo de agua que seleccionaremos en el programa es “Waste MF/UF” debido que “MF” significa microfiltración y “UF” significa ultrafiltración ambos son sistemas de pretratamiento que permite la separación mecánica de sólidos suspendidos o disueltos mediante un tamiz. La principal diferencia entre ambos procesos es el tamaño de poro de la membrana, siendo el de “MF” entre 0.1 μm – 10 μm y el de “UF” entre 0,04-0,1 μm. Las razones por la que usaremos este tipo será porque aumenta la protección de las membranas, mejora la calidad de agua en la alimentación y reduce los costs operativos [30]. El esquema de nuestra instalación usaremos “High salinity brackish RO Two stages with interstage booster pump at 28ºC” del libro Wilf del apéndice A, que se puede ver en la Figura 46 ya introducido en el programa. Para poder dibujarlo en el programa debemos darle a la opción de “ERD”, ya que en el dibujo del libro también tiene recuperador de energía, además debemos poner dos etapas. Figura 46: Esquema de nuestro sistema en IMS Design. En la zona en la que nos encontramos las temperaturas de la corriente variarán de 15ºC a 22ºC, así que haremos el estudio para estos límites. Además el diseño debe estar hecho para que los límites de concentración y de flux (l/m²/h), que es una medida de la cantidad de agua que pasa a través de una superficie de membrana en un período de tiempo determinado que indica el modo de funcionamiento de la membrana, no sean superados para un correcto funcionamiento de la instalación. Para esto deberemos variar el de tanto por ciento de recuperación y el caudal del permeado, que es el agua que ha pasado a través de la membrana y ha sido desalinizada. Para seleccionar la membrana entraremos en la pestaña “Element type” y sellecionaremos la ESPA2-LD MAX, ya que es la única que su área es de 440 ft, ya que este tipo son las más modernas del mercado. Las opciones de membranas para este caso se pueden observar en la Figura 47. Además decir que en las dos etapas debemos poner en “Elements/Vessel” 8, ya que es el número de membranas que debe tener cada tubo de presión y en “No Vessels” 1, porque en cada etapa solamente hay solamente un tubo de presión. Figura 47 Opciones de membranas para este caso del programa IMS Design. Para realizar esto debemos saber que el rango de tanto por ciento de recuperación de este tipo de instalación debe estar entre entre un 80-90% y el flux máximo debe ser 27,2 l/m²/h y el promedio estar en torno a 23,8 l/m²/h esta variable dependerá del caudal de permeado que pongamos. Así que lo primero es con la suposición de un 85% de recuperación ver cual caudal de permeado no nos supera el flux máximo. 36 Figura 48: Simulación IMS Design para ver el caudal de permeado a 15ºC. En la Figura 48 podemos ver dos simulaciones del programa ambas con una reuperación del 85% y la temperatura de 15ºC. La primera con un caudal de permeado de 13.6 𝑚3/ℎ cumpliendo el flux máximo y el segundo 13.7 𝑚3/ℎ no cumpliendo el flux máximo, así que el caudal de permeado a esta temperatura sería de 13.6 𝑚3/ℎ. Hay que comentar también de la foto que el otro error que aparece es por la concentración que lo solucionaremos con otro tanto por ciento de recuperación. Figura 49: Simulación IMS Design para ver el caudal de permeado a 22ºC. En la Figura 49 podemos ver dos simulaciones del programa ambas con una reuperación del 85% y la temperatura de 22ºC. La primera con un caudal de permeado de 12.5 𝑚3/ℎ cumpliendo el flux máximo y el segundo 12.6 𝑚3/ℎ no cumpliendo el flux máximo, así que el caudal de permeado a esta temperatura sería de 12.5 𝑚3/ℎ. Por esto el caudal de permeado de nuestra instalación debe ser de 12.5 𝑚3/ℎ, ya que con 15 ºC sigue dentro de los rangos permitidos de flux. A continuación veremos que tanto por ciento de recuperación debemos usar. 37 Figura 50: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado. Simulando el sistema con ambas temperaturas y con caudal de permeado de 12.5 𝑚3/ℎ, nos da como resultado que le rango de tanto por ciento de recuperado tiene que estar entre 80% y 82%, como se puede ver en la Figura 50. A pesar de esto podemos ver que segimos teniendo un fallo que es “Anti Scalant Required”, esto que se refiere que deberíamos añadir un anticrustante para evitar que se incruste elementos químicos en la membrana como el Ca3(PO4)2 en nuestro caso. Figura 51: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado en función del consumo específico, siendo de izquierda a derecha simulación con recuperación del 80%, 81% y 82% a 15ºC. Figura 52: Simulación IMS Design para ver el tanto por ciento de recuperado en función del consumo específico, siendo de izquierda a derecha simulación con recuperación del 80%, 81% y 82% a 22ºC. Como podemos ver en la Figura 51 y 52 del rango de tanto por ciento de permeado entre 80 y 82% con forme más alto séa el permeado menor será el consumo específico, a pesar que no hay mucha diferencia entre los valores. Cogeremos que nuestro tubo de presión opere con un tanto por ciento de recuperación del 82%, con 44 Tabla 5: Balance producción y demanda. Siendo el valor negativo de la tercera columna un déficit energético, por lo que habría que comprar energía. Como podemos ver en la Tabla 5 solamente en el caso de que la configuración unitaria se repita tres veces por convertidor la producción del WEC es suficiente para poder alimentarlo durante todo el año, teniendo excedentes. Que se repita tres veces la configuración unitaria que en cada convertidor va a alimentar a tres unidades de ósmosis inversa diferente, cada una con dos etapas, teniendo en la primera dos tubos de presión y en la segunda solamente uno. Estos excedentes se podrán o bien vender a la red eléctrica o bien poder alimentar otras instalaciones dentro de nuestra instalación purificadora de agua. Para concluir por convertidor de energía undimotriz debemos repetir tres veces la configuración unitaria estudiada en el apartado anterior teniendo un consumo constante para el caso de temperatura máxima (22ºC) de 15.21 kWh y para el caso del límite inferior de temperatura (15ºC) 18.135 kWh. Al conjunto se la acoplaría el correspondiente sistema de recuperación energética basada en cámara isobárica. 6.2.1 Ejemplo de producción de agua en una población En este apartado veremos una población cercana a nuestra ubicación cuantas aguas residuales produce para así poder estimar el consumo de nuestra instalación y tsmbién de cuantos convertidores necesitaríamos para satisfacer la cantidad de aguas que debemos tratar. Figura 66: Distancia Villano-Sisargas y Carballo extraido de Google Maps. El municipio más cercano con una población considerable a nuestra ubicación es Carballo, que se encuentra en la comarca de Bergantiños en la provincia de La Coruña. Se encuentra a una distancia de aproximadamente de 52.89 km y tiene una población de 31416 habitantes [31]. Para poder calcular el caudal de aguas residuales producida por esta población debemos determinar la dotación que es la cantidad de agua asignada a cada habitante, considerando todos los consumos de los servicios y las pérdidas físicas que existen en cualquier sistema de distribución, su unidad es en l/hab/día [32]. 45 Tabla 6: Doatación en función del tipo de actividad [32]. En la Tabla 6 podemos ver distintas dotaciones en función del tipo de actividad. En nuestro caso vamos a hacer los cálculos para el caso doméstico es decir con una dotación de 200 l/hab/día que se puede ver en la Ecuación 2. 𝑄𝑎𝑢𝑔𝑎𝑠=31416(ℎ𝑎𝑏)∗200(𝑙 ℎ𝑎𝑏 𝑑í𝑎)=6283200(𝑙 𝑑í𝑎)∗ 1 1000(𝑚3 𝑙)∗1 24(𝑑í𝑎 ℎ)=261.8𝑚3/ℎ Ecuación 2: Cálculo caudal aguas residuales. Una vez ya cálculado el caudal de aguas residuales tenemos que ver cuantos convertidores necesitamos, ya que por convertidor necesitamos un caudal de tres veces el que entra en el prediseño que es de 22.8 𝑚3/ℎ que se puede ver en la Figura 58+1, lo que sería un caudal por convertidor de 68.4 𝑚3/ℎ, este cálculo se encuentra en la Ecuación 3 que es la división del caudal de aguas residuales entre el caudal de entrada al convertidor. NºWEC=261.8 68.4=3.82≈4 Ecuación 3: Cálculo de números de convertidores. Entonces para esta población necesitaríamos 4 convertidores para cumplir con la cantidad de aguas residuales producidas, soalmente mediante la población sin tener en cuenta comercios, hospitales, entre otras cosas. Así que la instalación para esta ciudad tendría una potencia nominal de 127.28 kW produciendo anualmente 856.3 MWh de energía, los consumos de la instalación cuando esté a a 22ºC sería de 60.84 kWh y a 15ºC de 72.54 kWh. 6.3 Análisis de resultados. En este capítulo lo que hemos realizado varias tareas, lo primero es el análisis de diferentes configuraciónes de nuestra instalación, simulandola en el programa commercial IMS Design. Las configuración ha sido cogido de libro Wilf del apendice A teniendo dos etapas y un economizador y hemos probado tres variaciones de esta, siendo una un tubo de presión en la primera etapa y otro solo en la segunda etapa, otra ha sido dos tubos de presión en la primera etapa y uno solo en la segunda y la última ha sido tres tubos de presión en la primera etapa 46 y unos solo en la segunda. La configuración elegida es la segunda, dos tubos de presión en la primera etapa y uno en la segunda, ya que respecto la primera configuración es el más eficiente energéticamente y respecto a la tercera configuración que tienen los mismos consumes que la segunda, la tercera supera por mucho el valor máximo del anticrustante. También decir que en todas las configuraciones hemos optimizado el caudal del permeado y el tanto por ciento de recuperado. A continuación hemos realizado un conjunto de cálculos para estimar el número de veces que se tiene que repetirse la configuración seleccionada por convertidor de energía undimotriz. Para ello hemos igualado la potencia nominal del WEC con el consumo específico de la configuración por el caudal del producto y así obtenemos el valor máximo de configuraciones que podemos poner sin supercar el valor nominal de produución del WEC. Luego lo optimizamos comparandolo con la producción anual del capítulo 5, ya escalado para la ubicación elegida y vemos que el valor máximo de nuestra configuración que se puede repetir para un WEC es de tres. Ahora ya sabiendo cuantas veces se repite la configuración hemos calculado un ejemplo de producción para la ubicación de Carballo, ya que es una ciuadad con una población considerable cercana a la ubicacioón de nuestro WEC. Lo que obtenemos de estos cálculos es que tenemos un caudal de aguas negras de 261.8 𝑚3/ℎ, un total de cuatro convertidores, una potencia nominal de los convertidores de 127.28 kW produciendo anualmente 856.3 MWh de energía y unos consumos de la instalación purificadora de agua cuando esté a a 22ºC de 60.84 kWh y a 15ºC de 72.54 kWh. Una vez ya realizado un ejemplo en una ubicación determinada, como se puede ver en el apartado anterior, a continuación en este apartado lo que haremos será realizar unas breves conclusiones. Para ello realizaremos cálculos como en el apartado anterior, pero para el caso con un solo convertidor de la energía de las olas. Para empezar sabemos que en un solo convertidor el caudal de entrada es el mismo que tres veces el de la configuración estimada en el apartado 6.1, así que es de 68.4 𝑚3/ℎ. Ahora lo que debemos hacer es estimar el número de habitantes que necesitamos por convertidor, sabiendo que la dotación es de 200 l/hab/día. 𝑄𝑎𝑢𝑔𝑎𝑠=68.4𝑚3 ℎ=𝑛ºℎ𝑎𝑏∗200(𝑙 ℎ𝑎𝑏 𝑑í𝑎)∗ 1 1000(𝑚3 𝑙)∗1 24(𝑑í𝑎 ℎ) 𝑛ºℎ𝑎𝑏=8208 ℎ𝑎𝑏 Ecuación 4: Cálculo del número de habitantes, a partir del caudal aguas residuales. A partir de la Ecuación 4 podemos ver que por cada 8208 habitantes se necesita un convertidor, haciendo que nuestra instalación tenga una potencia nominal de 31.82 kW, que es la nominal de los WEC escalados para nuestra ubicación, teniendo consumos a temperatura máxima (22ºC) de 15.21 kWh y para el caso del límite inferior de temperatura (15ºC) 18.135 kWh, estos consumos son para el periodo de una hora. Por tanto por cada convertidor que queramos poner en esta ubicación debemos tener en cuenta la población, es decir cada 8208 habitantes que tenga una población debemos poner un WEC más, incrementando de misma manera la potencia y los consumos, como podemos ver en la Tabla 7. Tabla 7: Diferentes configuraciones en función del número de habitantes. Siendo Pn la Potencia nominak del WEC, Pcons la potencia consumida por la instalación de ósmosis inversa. 47 Para concluir nuestros convertidores alimentan a tres configueraciones, que en cada una entra un caudal de 22.8 𝑚3/ℎ , tratando un total de convertidor de 68.4 𝑚3/ℎ, de los cuales salen de cada configuración 19.5 𝑚3/ℎ, un total por convertidor de 58.5 𝑚3/ℎ. Cada una de las configuraciones tiene dos etapas, en la primera dos tubos de presión y en la segunda solo uno, cada tubo tiene ocho membranas. Cada convertidor sirve para tratar las aguas residuales de 8208 personas. 48 7 CONCLUSIÓN En este Trabajo Fin de Grado se han analizado tres modelos de convertidores, del proyecto Reference Model Project, en diferentes ubicaciones de España, que mediante los datos ambientales aportados por Puertos del Estado, se ha podido determinar la producción de energía eléctrica en estas ubicaciones. Además se ha escalado estos convertidores para adaptar los convertidores a las dos ubicaciones con mayor producción energética (boya Villano-Sisargas y boya de Cabo Silleiro), seleccionando el escalado que mejor se adaptaba y tambie´n la ubicación definitiva, que en nuestro cas ha sido la boya de Villano-Sisargas. También en este trabajo se ha realizado un prediseño de una instalación purificadora de agua y se ha acoplado estos consumos de energéticos con la producción de nuestro convertidor undimotriz. La ubicación seleccionada, como ya hemos dicho antes, es la boya de Villano-Sisargas, el convertidor seleccionado es el modelo RM5 con un escalado para que se adapte a esta ubicación de 1:1/2, siendo su potencia nominal de 31.82 kW, produciendo en un año en torno 171.26 MWh, dependiendo de las condiciones del año será más o menos. La instalación de ósmosis inversa para el tratamiento terciario de aguas residuales tiene dos etapas. Se ha simulado una configuración unitaria para determinar la producción y el consume energético. Posteriormente se escala enl número de unidades en función de la demanda de agua dulce. La configuración unitaria consta de: la primera con dos tubos de presión y la segunda con un solo tubo de presión los tres tubos con ocho membrnas del modelo ESPA2-LD MAX, además tiene un recuperador de energía. Genera un caudal de permeado de 19.5 𝑚3/ℎ, con un tanto por ciento de recuperado del 85.5% con consumo específico de 0.26 𝑘𝑊ℎ/𝑚3cuando opera a 22ºC y de 0.31 𝑘𝑊ℎ/𝑚3. Para que el acoplamiento cumpla la producción de energía eléctrica del convertidor necesitamos repetir esta configuración unitaria tres veces por convertidor. También decir que la configuración de un convertidor sirve para tratar las aguas residuales de 8208 habitantes. El dimensionado del sistema propuesto consiste en un wec modelo RM5, con tres sistemas unitarios de ósmosis inversa conformado cada uno por dos etapas y el conjunto tiene un recuperador energético, teniendo en la configuración unitaria, la primera etapa dos tubos de presión y la segunda etapa solo un tubo de presión, todos los tubos de presión del sistema tendrán ocho membranas del tipo ya mencionado ESPA2-LD MAX. Hay que destacar que en este estudio no se ha tenido en cuenta los aspectos económicos, cálculos de la instalación eléctrica o el pretratamiento del agua a la entrada de la instalación purificadora de agua entre otras cosas que tendríamos que hacer para que la instalación fuera real. Solo hemos realizado los cálculos energéticos de producción de energía en nuestra ubicación seleccionada, compararlo con los consumos de nuestra instalación de ósmosis inversa y ver como se puede acoplar con la producción de aguas negras de una población. Para terminar, comentar que el uso de la energía de las olas para alimentar la instalación de ósmosis inversa con energía eléctrica, es muy interesante y bajo lo estudiado en este proyecto, es decir bajo el punto de vista energético, es rentable, pero habría que profundizar este estudio con otros tipos de análisis que no se han llevado a cabo en este trabajo para ver si realmente es interesante. 49 REFERENCIAS [1] Pedro Fernández Diéz, Libro energía del mar, publicado en internet, http://es.pfernandezdiez.es/libro/?id=5 , fecha 20/01/2024. [2] Wedge, The W1, https://wedgeglobal.com/, fecha 07/02/2024. [3] Moris Arroes, Pelamis la serpiente energética, https://www.morisarroes.es/pelamis-la-serpiente-energetica/, fecha 07/02/2024. [4] Tethys, Wave Dragon Pre-Commercial Demonstration Project, https://tethys.pnnl.gov/project-sites/wavedragon-pre-commercial-demonstration-project, fecha 07/02/2024. [5] https://www.dicyt.com/viewItem.php?itemId=28039 , fecha 07/02/2024. 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