Análisis y simulación de la tecnología de ósmosis inversa con fuentes energéticas no convencionales

i D. JOSÉ MANUEL QUINTANA SANTANA, SECRETARIO DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA DE LA UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA, CERTIFICA, Que el Consejo de Doctores del Departamento, en su sesión de fecha de 21 de Septiembre de dos mil doce, tomó el acuerdo de dar el consentimiento para su tramitación a la tesis doctoral titulada “Análisis y simulación de la tecnología de ósmosis inversa con fuentes energéticas no convencionales”, presentada por el doctorando D. FRANCISCO JAVIER GARCÍA LATORRE y dirigida por los Doctores D. ANTONIO GÓMEZ GOTOR y D. JOSÉ ANTONIO CARTA GONZÁLEZ. Y para que así conste, ya efectos de lo previsto en el Artº 73.2 del reglamento de Estudios de Doctorado de esta Universidad, firmo la presente en Las Palmas de Gran Canaria, a 21 de Septiembre de dos mil doce. Fdo.: José Manuel Santana Quintana ii iii UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Programa de Doctorado Tecnología Industrial (Bienio 1991-1993) TESIS DOCTORAL ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE ÓSMOSIS INVERSA CON FUENTES ENERGÉTICAS NO CONVENCIONALES Memoria presentada, en cumplimiento de los requisitos para optar al grado de DOCTOR, por el Ingeniero Industrial D. Francisco Javier García Latorre Directores: Dr. D. Antonio Gómez Gotor Dr. D. José Antonio Carta González Los Directores El Doctorando Las Palmas de Gran Canaria, OCTUBRE de 2012. iv v La presente tesis doctoral se ha validado mediante el proyecto OPRODES (Optimization of RO Desalination Systems Powered by Renewable Energies, Contract JOR3-CT98-0274, ) proyecto cofinanciado por la comisión Europea en el marco de trabajo del programa de energía no nuclear JOULE III. . vi vii El presente trabajo se lo dedico a Maribel ya que gracias a su empeño consiguió que fuera terminado. viii ix Agradecimientos Deseo expresar mi agradecimiento a todas aquellas personas que han contribuido a la realización de esta tesis, en especial a los directores, José Antonio Carta González y Antonio Gómez Gotor, ya que pusieron todo su afán en que los trabajos llegaran a buen fin. Quiero agradecer también a todos aquellos compañeros y compañeras que no cejaron en el empeño de animarme a conseguir culminar el presente trabajo, especialmente a Ignacio De la Nuez Pestana, cuya colaboración ha sido muy importante en la elaboración de la presente Tesis. C A P Í T U L O 1 Introducción general 1.1 El binomio energías renovables - desalinización Desde el inicio de la Revolución Industrial la energía ha sido uno de los factores fundamentales que han impulsado el desarrollo y progreso de los pueblos. En el periodo comprendido entre las postrimerías del siglo XVIII y nuestros días los modelos económicos y sociales de las sociedades industrializadas se han visto marcados por las características de las fuentes energéticas (carbón y petróleo1, fundamentalmente) dominantes en cada periodo. Durante este periodo el interés de los gobiernos europeos por las energías renovables, en especial por la energía eólica, ha estado ligado a diversas circunstancias. En una primera etapa las políticas energéticas renovables son impulsadas por los diversos gobiernos como consecuencia de los periodos de escasez de petróleo originados por las dos Guerras Mundiales. Sin embargo, en las dos ocasiones, a medida que las crisis desaparecían y las economías se restablecían, el superior coste de la energía eléctrica de origen renovable respecto a la generada con el petróleo conducía al abandono de las energías autóctonas renovables. La crisis del petróleo de 1973, y sobre todo la de 1979, propician una segunda etapa de impulso de las energías renovables (eólica y solar principalmente), pero esta vez marcada por circunstancias radicalmente distintas a la de la etapa anterior. En esta etapa los precios de la energía eléctrica de origen eólico son capaces de competir con los generados por la nueva estructura de precios del petróleo. En la década de los 90, a la dependencia energética respecto del exterior y al probable agotamiento de los recursos petrolíferos para mediados del siglo XXI, se le suma la preocupación social, en amplios sectores de los países más desarrollados, por el medioambiente, Pérez ( 1998) 1 A partir de las primeras décadas del siglo XIX, los centros de consumo se han aprovisionando principalmente de combustibles procedentes del petróleo. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales I-2 La oportunidad de aprovechar las fuentes de energía renovable y conseguir que éstas representen en Europa un porcentaje significativo en el consumo real de energía primaria, fue primeramente asumido en Septiembre de 1993, por el programa Altener de la Comisión Europea y, posteriormente, en 1994, por una amplia representación de los principales actores que intervienen en el sector de las renovables, a través de la declaración de Madrid. Así, mientras el Altener, programa exclusivo de las energías renovables, pretende una reducción de emisiones a la atmósfera de 180 millones de toneladas de CO2 en el año 2005, y para ello considera necesario alcanzar una cobertura del 8% con renovables en la demanda total de energía en ese año, la Declaración de Madrid propugna sustituir el equivalente al 15% de la demanda de energía primaria convencional antes del año 2010. Uno de los factores que condicionan, en la actualidad, que las energías renovables no sean una alternativa a las energías convencionales deriva esencialmente de la distribución temporal de aquellas, que al depender de la época del año y de la hora del día impiden satisfacer una demanda energética prefijada. Estos inconvenientes asociados a la variabilidad de las energías renovables, que originan que las mismas sean catalogadas de complementarias pero no de alternativas, podría paliarse si la energía producida se pudiese almacenar para una posterior adaptación a la demanda. En el caso concreto de las energías eólica y solar el almacenamiento en forma de energía eléctrica es solo practicable en la actualidad cuando las cantidades implicadas son relativamente pequeñas. Una medida que podría subsanar este inconveniente sería la de sustituir el almacenamiento de la energía eléctrica de origen renovable por el del producto de un proceso del que existiese gran demanda y no fuese perecedero, ya que de esta manera se podría optimizar el aprovechamiento del viento, de manera que el bien almacenado satisficiese la demanda de forma regular. Si se tiene en cuenta que en el Mundo existen amplias zonas desérticas, muchas de las cuales han tenido que recurrir a la potabilización de agua de mar con energías convencionales como medio de subsanar la escasez del preciado líquido, y que algunas de dichas regiones disponen de adecuados potenciales eólicos y solares, se llega a la conclusión que el Almacenamiento del viento en forma de agua potable podría ser una solución óptima para el aprovechamiento de este tipo de energías. En este sentido son varios los estudios teóricos y experimentales que se han llevado a cabo en los últimos años. Con anterioridad a esta tesis se han realizado diversos estudios que tratan de la desalinización de aguas utilizando como fuente energética las energías renovables. Una de las referencias teóricas más antiguas que disponemos es de Salomon (1968), que analiza teóricamente los aspectos técnicos de la desalinización con energía eólica, y concluye que los métodos de compresión de vapor pueden ser muy apropiados para ser accionados mediante turbinas eólicas, ya que las bombas centrífugas y compresores tienen la propiedad de presentar el mismo tipo de variación cúbica de la potencia en función de la velocidad de rotación que los motores eólicos. Introducción General I-3 Alward et.al. (1973) estudiaron mediante un ensayo de laboratorio la viabilidad de accionar una unidad de osmosis inversa con una turbina eólica, para producir agua potable en Barbados. Para ello someten a unas membranas de osmosis inversa a un flujo senoidal, pretendiendo simular la variación de la velocidad del viento, y a una presión constante de 42.2 Kg/cm2. El caudal de alimentación estaba constituido por una solución de agua y cloruro sódico con una concentración de 3500 ppm. Los resultados después del octavo mes de ensayos les indican que el funcionamiento con flujo senoidal no difiere significativamente del funcionamiento en condiciones constantes. Cadwallader et. al. (1977), llegan a la conclusión, después de un análisis teórico, que la aplicación de la energía eólica para la desalinización de aguas salobres, tanto con osmosis inversa como con electrodiálisis, puede ser una solución económica al incremento de los costes de los combustibles convencionales. Además añaden en el mencionado informe que el acoplamiento de turbinas eólicas con plantas de osmosis inversa o de electrodiálisis pueden ofrecer, en teoría, ventajas técnicas, ya que el caudal de alimentación se puede adaptar a la variación de la energía eólica, optimizándose el aprovechamiento del viento. Por último advierten que todavía no se conocen los efectos del funcionamiento con densidad de corriente o caudal variable para sistemas de electrodiálisis o de presión o caudal variable en sistemas de osmosis inversa. Petersen et. al. (1979) presentan dos proyectos de demostración donde se usa energía solar y eólica para el funcionamiento de unidades de desalinización por osmosis inversa en una isla (Suderoog) en la costa alemana del Mar del Norte. Fries et. al (1981), comunican las fechas de instalación de la unidad de osmosis inversa y del aerogenerador en la isla de Suderoog, señalando el inicio de la puesta en funcionamiento. En las dos últimas comunicaciones se realiza una descripción general de este proyecto de demostración. El aerogenerador utilizado es un Allgaier/Hutter de 10 m. de diámetro de rotor con una potencia de 6 kW. a una velocidad del viento de 9 m/s. Las membranas usadas tienen un área de 30 m2 y son del tipo plato desarrolladas por GKSS en Alemania. El máximo caudal de agua producto obtenido es de 9m3/día partiendo de un agua de 28000 ppm. con una potencia de 4 kW. (operando a una presión de 80 bar). Se usa una batería para evitar los problemas ocasionados por la variación de la potencia de entrada, especialmente cuando existen frecuentes arranques y paradas. Según Petersen et al (1983) y McBride et al (1987), en 1982 las membranas fueron sustituidas por otras que presentaban mejor resistencia a los arranque y paradas. Estas nuevas membranas con un área de 10.6 m2 funcionan a una presión de 60 bar. produciendo un caudal máximo de agua de 4.8 m3/día. También el aerogenerador Allgaier/Hutter fue sustituido por un aerogenerador Aeroman bipala con 11 m. de diámetro de rotor y una potencia de 11 kW. Otra característica del diseño es el sistema de control que es capaz de ajustar la frecuencia del aerogenerador de corriente alterna a 50 Hz. en todo el rango de velocidades del viento, Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales I-4 permitiendo un acoplamiento directo al sistema de osmosis inversa sin necesidad de baterías. La planta funcionó por un periodo de un año desde agosto de 1982 a julio de 1983. Según las dos últimas referencias, la planta de osmosis inversa aparentemente no presentó efectos desfavorables debido a los ciclos continuos de arranques y paradas, inevitablemente debido a la naturaleza intermitente del viento. Sobre la cuestión de cómo y cuando se permitió arrancar la planta de osmosis inversa, parece ser que se llegó a un criterio de comprobar si durante 20 minutos seguidos la velocidad del viento era superior a la de arranque del aerogenerador antes de iniciar la conexión de la planta de osmosis. Una vez establecido este criterio no se presentó ningún problema con la planta, siendo su funcionamiento perfectamente satisfactorio. Otra experiencia práctica es la publicada por Laurel (1979), que comunica el periodo de ensayo que dos prototipos, en a isla de Planier, cerca de Marsella (Francia). Uno constituido por una planta de osmosis inversa con una capacidad de producción de 2.5 m3/h. A partir de agua de 2 gr/l y que funciona con energía solar, y otro constituido por una unidad de osmosis inversa con una capacidad de 0.5 m3/h a partir de agua de mar con 39 gr/l y que funciona con un aerogenerador de 4 kW. a 7 m/seg. Las membranas utilizadas son ‘Permasep’ de Dupont. El aerogenerador es un Aerowatt modelo 4100FP7 con un diámetro de rotor de 9.2 m. Además se utiliza una turbina Pelton para recuperar la energía del agua de rechazo. Libert y Maurel (1981), informan que otra unidad desalinizadora accionada con energía eólica está programada para suministrar agua a un pueblo aislado de una isla del Pacífico. McBride et. al. (1987) comentan la experiencia francesa de la isla de Planier, e indican que los principales problemas que se presentaron fueron los frecuentes arranques y paradas, particularmente cuando la velocidad del viento se encontraba próxima a la velocidad de arranque de la eólica. Según el mencionado artículo, de los estudios económicos que se realizaron con diversas alternativas, favorecieron a los sistemas que empleaban motores de corriente continúa y baterías, señalándose además que puede esperarse un costo del agua comparable al de un sistema de desalinización convencional. Con posterioridad a esta fecha se han seguido desarrollando pequeñas unidades de desalinización con la tecnología de ósmosis inversa, accionadas, bien con energía procedente de aerogeneradores o con energía procedente de aerogeneradores y sistemas fotovoltaicos (Robinson et al., 1992; Liu et al,2002 ; Weiner et al, 2001; Houcine et al, 1999; Kershman et al., 2005; Tzen et al., 2008). Asimismo, se han desarrollado microredes donde la fuente energética ha sido híbrida. Es decir, ha contado con fuentes renovables y convencionales de energía. Como ejemplo destacado de dichas microredes puede señalarse un sistema eólico-diesel instalado en la isla de Fuerteventura (Carta y González, 2001;Carta et al, 2003b; Carta 2010) Hay que señalar que la inmensa mayoría de los proyectos de desalinización con renovables que han sido propuestos, se han centrado en la pequeña escala y se han diseñado para Introducción General I-5 funcionar en régimen constante de presión y caudal. Para ello, se ha recurrido al empleo de sistemas de almacenamiento energético, fundamentalmente baterías. Por tanto, los motores y bombas que integran el sistema de desalinización operan en régimen nominal, garantizando en todo momento el caudal nominal y la calidad del agua para los que la planta fue diseñada. Sin embargo, han sido escasos los trabajos realizados con el objetivo de determinar la viabilidad técnica de operar una planta de OI en régimen variable, para poder optimizar la energía fluctuante procedente de fuentes renovables con las que estás pueden ser alimentadas. En este sentido, hay que señalar que en literatura científica se han divulgado diversos trabajos que analizan la viabilidad técnica y económica de operar plantas de OI con energías procedentes de fuentes renovables. Feron (1985), lleva a cabo un estudio teórico para determinar la viabilidad técnica y económica del funcionamiento de plantas de osmosis inversa utilizando energía eólica, combinando las características de la planta de desalinización con las características del motor eólico (idealizado) y las características del viento (utilizando la distribución de Weibull). Tres son las posibles configuraciones del sistema planta desalinizadora - turbina eólica que analiza: a) Planta desalinizadora funcionando en condiciones constantes, donde la turbina eólica, de una potencia adecuada, se conecta a la planta solamente en el margen de velocidades que proporciona la potencia nominal b) Planta desalinizadora funcionando en condiciones variables, dependiendo de la velocidad del viento. Aquí la turbina se acopla a la planta cuando aquella suministra la mínima potencia requerida por ésta c) Planta desalinizadora en la que se varía continuamente el área de las membranas, funcionando cada elemento de membrana en condiciones constantes. Warfel (1988), presenta un artículo donde se resumen los resultados de un estudio analítico llevado a cabo en la Universidad de Massachusetts para determinar la viabilidad técnica y económica de sistemas de desalinización de osmosis inversa accionados por energía eólica. El principal objetivo de este trabajo es tener un modelo del sistema que contemple los componentes disponibles comercialmente para determinar su rendimiento económico actual. Aunque en orden a investigar las posibilidades de tales sistemas los autores indican que han realizado el estudio de 9 diferentes configuraciones del binomio eólico - osmosis inversa funcionando bien autónomamente bien conectado a la red, en el mencionado artículo solo se indican los resultados de los tres más representativos. Con el propósito de tener una base de comparación, todos los sistemas configurados se comparan con el sistema grupo dieselosmosis inversa. Dos de los sistemas son grupos eólico - diesel autónomos, que difieren uno de otro del modo de utilizar los módulos de osmosis inversa. El tercer sistema considerado presenta un diseño mecánico, que permite acoplar la eólica a la bomba de alta presión de la planta de osmosis inversa. Según los autores la Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales I-6 fiabilidad de variar el número de módulos que entran o salen de una línea, que es una de las hipótesis consideradas, necesita más investigación. Señalan que existen indicaciones sobre la inconveniencia de que flujos frecuentes atraviesen las membranas de osmosis inversa. Asimismo indican que futuros modelados de estos sistemas deben incluir la consideración relativa a la duración. Carta (1991), estudia la viabilidad técnico-económica de sistemas de desalinización accionados por energía eólica, en la isla de Fuerteventura (Islas Canarias-España). Este estudio coincide con el de Warfel (1988) en el hecho de considerar la utilización de elementos comerciales. Sin embargo, discrepa en la metodología, magnitud del sistema analizado, y en las conclusiones. Dos son las alternativas consideradas por Carta (1991) en el estudio respecto a la fuente energética: a) Sistema parque planta aislado, no conectado a la red general eléctrica insular b) Sistema parque planta integrado en la red general eléctrica insular. En cuanto a las condiciones de funcionamiento de las plantas desalinizadoras el análisis contempla los siguientes sistemas: a) Planta desalinizadora de capacidad variable y condiciones de funcionamiento constante. b) Planta desalinizadora de capacidad fija en condiciones de funcionamiento variables y c) Planta desalinizadora de capacidad variables y condiciones de funcionamiento variables. Las conclusiones más sobresalientes del trabajo son: La viabilidad técnica y económica de la desalinización de agua de mar, a gran escala, con el empleo de energía eólica. Esta posibilidad se extiende tanto a los sistemas parque-planta aislados de la red como conectados a ella. Sin embargo, aún cuando las repuestas teóricas del estudio indican la viabilidad de la utilización a gran escala de la energía limpia del viento en la desalinización de agua de mar, se señala que la aplicación de la energía eólica debe comenzar con la decisión de experimentar a pequeña escala los resultados alcanzados en la mencionada fase teórica, en especial en el comportamiento de los distintos elementos que integran la planta “modulada”, para que las experiencias más amplias que en el futuro puedan realizarse avancen sobre bases mas firmes donde poder apoyarse. Carta et. al. (1995), presentan la simulación de la producción de agua con energía eléctrica de origen eólico en una planta experimental que el Gobierno Autónomo Canario desea construir en la isla de Gran Canaria (Islas Canarias-España). El proyecto que se pretende llevar a cabo consiste en la conexión de un aerogenerador con una planta de osmosis inversa de capacidad variable2 y condiciones de funcionamiento constantes. 2 Plantas de desalinización independientes que pueden ser conectadas y desconectadas a voluntad con objeto de que se ajusten a la variación energética. Introducción General I-7 Cruz et. al. (1996) comunican la presentación al programa europeo Joule III de un proyecto que consiste en un parque eólico compuesto por dos aerogeneradores de 250 Kw. cada uno conectados a tres plantas de desalinización, cada una con diferente tecnología de desalinización (osmosis inversa, electrodiálisis y compresión de vapor). González et. al (1997) describen el sistema de control y adquisición de datos del proyecto presentado por Cruz et al., (1996) y que está siendo llevado a cabo en la isla de Gran Canaria, de forma que dicho sistema permita la gestión automática de todos los dispositivos conectados al Parque de Aerogeneradores, así como la adquisición de los datos estimados para cada uno de los dispositivos del sistema. De la búsqueda de información realizada se desprende que han sido escasos los desarrollos que han perseguido explotar la desalinización, a gran escala, utilizando como única fuente de energía la energía eólica. Entre dichos desarrollos puede señalarse el llevado a cabo en el denominado proyecto SDAWES (Sea Desalination Autonomous Wind Energy System) (Carta et al, 2003a; Carta et al., 2004; Subiela et al, 2004) y el sistema desarrollado por la Compañía Enerco (Paulsen y Hensel; 2005; Paulsen y Hensel,2007). El proyecto SDAWES fue cofinanciado por la Unión Europea (Programa JOULE III, Contract JOR3-CT95-0077) y en él han participado varios Centros Europeos de Investigación en Renovables (Carta et al, 2004; Subiela et al,2004). Especialmente, dicho proyecto perseguía comprobar la factibilidad de funcionamiento aislado de un parque eólico sin necesidad del auxilio de baterías para el almacenamiento de energía ni de grupos diesel de apoyo, además de analizar los problemas que se pueden presentar con la gestión de cargas de desalinización. En la figura 1.1 se muestra un esquema general eléctrico y de control del sistema SDAWES, donde se indican los subsistemas del proyecto (subsistema de generación eléctrica, subsistema de control y subsistema de cargas) y los principales componentes de cada uno de ellos. Como conclusión del proyecto SDAWES se obtiene que es viable, desde el punto de vista técnico, operar plantas de ósmosis inversa en régimen constante y capacidad variable, accionada por un parque eólico que funciona aislado de la red eléctrica convencional. El Departamento de Desalinización de la Compañía Enercon ha desarrollado un sistema específico de desalinización, el cual incluye un sistema especial de recuperación de energía optimizado para su combinación con los convertidores de energía eólica (Paulsen y Hensel; 2005; Paulsen y Hensel, 2007). El sistema de desalinización de Enercon está integrado por 4 unidades modulares de ósmosis. La producción de cada unidad se puede ajustar de forma continua entre 7.5 m3/h y 15 m3/h. La Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales I-8 producción mínima de 7.5 m3/h está limitada por el caudal mínimo de agua de alimentación que debe circular a través de las membranas. De manera que el rango de producción de una planta con cuatro unidades comienza a 7.5 m3/h (180 m3/día) y llega hasta 60 m3/h (1440 m3/día). Esta planta puede ajustarse a cualquier producción o necesidades de consumo de potencia dentro de estos límites, manteniendo un bajo consumo especifico de energía (2 a 2.5 kW h/m3 para agua de mar) Figura 1.1. Esquema general eléctrico y de control (Fuente: Carta et al,2003a) El sistema de recuperación de energía (Fig.1.2) consiste en una bomba de baja presión (20 bares) y tres pistones combinados (no es necesario una segunda bomba de refuerzo) El acumulador tipo pistón es capaz de transferir la presión de hasta 70 bares necesaria para el proceso de desalinización. Introducción General I-9 Figura 1.2. Sistema de recuperación de energía de la planta de OI (Fuente: Enercon) Los componentes básicos de una planta de desalinización de Enercon se muestran en la figura 1.3. Figura.1.3 Componentes básicos de la planta de OI. (Fuente:Enercon). Los rasgos característicos de la planta son, según la referencia (Paulsen y Hensel,2007), los siguientes: - Muy bajo consumo de energía (la recuperación ahorra un 30% de energía) - No precisa de tratamiento químico. El proceso de control físico elimina las necesidades de tratamiento químico. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-2 et al, 2003a; Carta et al., 2003b; Delyannis, 2003; García-Rodríguez, 2003; Tzen y Morris, 2003; Miranda y Infield, 2003; Thomson y Infield, 2003; Goosen et al, 2003; El-Nashar, 2003; Bouchekima, 2003a; Bouchekima, 2003b; Kershman et al, 2003; Carta et al.,2004, Subiela et al., 2004; Kaldellis et al., 2004; Veza et al., 2004; Seibert et al, 2004; Lindemann, 2004; Bouguecha et al., 2005; Papapetrou et al., 2005; Scrivani, 2005; Patel et al., 2006; Mathioulakis et al., 2007; Delgado-Torres y García-Rodríguez, 2007; Gibbons et al., 2008; BermudezContreras et al., 2008; Tzen et al., 2008; Fernández-López et al., 2009; He y Yan, 2009; Henderson et al., 2009; Heijman et al., 2009; Eltawil et al., 2009; Mahmoudi et al., 2009; Gude et al., 2010; Kondili E., 2010; Dehmas et al., 2011). Por lo tanto, las principales ventajas y desventajas que existen para aplicar las energías renovables a una planta de desalinización sería: La existencia de un buen potencial energético en la zona donde se ubique la planta Favorables Simultaneidad estacional entre la demanda de agua potable y la disponibilidad de las energías Imposibilidad de garantizar un suministro constante de energía Desfavorables Imposibilidad de predecir la producción a corto plazo Figura 2.1. Aspectos favorables y desfavorables de la desalinización con energías renovables. En la tabla siguiente están las combinaciones “tipo de desalación – energía renovable” que son factibles de usar en función del tipo de agua y tamaño de la planta. Los sistemas contemplados son: destilación multiefecto (MED), destilación multietapa (MSF), compresión de vapor (VC), electrodiálisis reversible (EDR) y ósmosis inversa (OI). Existen tres métodos diferentes para incorporar a una planta OI un sistema energético renovable y son:  Planta OI - E. Renovable con sistema alternativo (Diesel o almacenamiento) aportando los defectos energéticos  Plantas OI de reducidas dimensiones que irán conectándose y desconectándose en función de la energía disponible  Planta OI - E. Renovable sin sistemas energéticos alternativos Esta tesis se enmarca en el tercer tipo de sistemas, en donde la planta produce agua desalinizada si dispone de la energía necesaria. En caso contrario, la planta no estará funcionando. Energías renovables y desalación. II-3 Esta tesis ha sido producto de un proyecto de investigación, donde se instaló una planta real para comprobar la viabilidad del sistema. Tabla 2.1.- Combinaciones recomendadas Energía Renovable - Desalinización Tabla 2.1 Combinaciones desalación - renovables En el proyecto se ha escogido la energía eólica como fuente energética renovable, por la disposición geográfica donde está instalada la planta OI, zona sureste de la isla de Gran Canaria, con importante potencial eólico, siendo este tipo de energía el apropiado para acoplar a la instalación. El estudio valida cualquier tipo de energía renovable, sustituyendo los valores de potencia que se generan por la turbina eólica, y colocando los correspondientes al sistema renovable que se desee instalar. Los sistemas de OI alimentados por energías renovables deben considerar una serie de factores intrínsecos de cada tecnología y que sean avalados económicamente. La selección de la tecnología debe observar cuatro aspectos:  Calidad del agua de alimentación  Agua producto: asegurar la demanda diaria y la calidad del producto. TDS < 500 ppm  Requisitos energéticos: coste específico de producción del agua  Potencial energético disponible Agua de Alimentación Agua Producto Fuente RE disponible Dimensión del sistema Sistema Óptimo RE para la planta AGUA SALOBRE PEQUEÑO (1-50 m3/dia) MEDIA (50-250 m3/dia) GRANDE (> 250 m3/dia) Industrial Solar Destilación - Solar Potable Solar PV – OI Potable Solar PV – ED Potable Viento VIENTO - OI Potable Viento VIENTO – ED AGUA DE MAR Industrial Solar Destilación - Solar Industrial Solar Solar Térmica MED Industrial Solar Solar Térmica MSF Potable Solar PV – OI Potable Solar PV – ED Potable Viento Viento – OI Potable Viento Viento – ED Potable Viento Viento – VC Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-4 2.2 Estado del arte 2.2.1 Tecnología Eólica 2.2.1.1 Introducción Los sistemas de conversión de energía eólica o generadores eólicos transforman la energía del viento en energía eléctrica (Burton et al 2001). El viento es una fuente de energía muy variable que no se puede almacenar por lo que los generadores eólicos deben explotarse bajo estas premisas. Desde antiguo el viento ha ocupado un lugar destacado en la Historia de la Humanidad y prueba de ello es que, junto con el fuego, el agua y la tierra, se le ha asociado un carácter mitológico ( Cádiz, 1984,Puig et al, 1982, Carta et al,2009). Las primeras aplicaciones de los molinos de viento datan del siglo II AC, si bien estos mecanismos se utilizaban con el propósito de producir sonidos rituales, en determinadas ceremonias religiosas (Cádiz,1984). Es en el siglo IX cuando se encuentran referencias escritas sobre la utilización de molinos de viento, durante el siglo XVIII su uso se extendió por toda Europa. Las primeras aplicaciones de molinos de viento para la generación de electricidad datan de 1887 (Gipe, 1995), cuando Charles F. Brush (1840-1929) construyó un aerogenerador de corriente continua que dedicaba a recargar las baterías del sistema de iluminación de su residencia de Cleveland (Ohio). Otro gran pionero de la energía eléctrica fue Poul la Cour (1846-1908). Este danés llegó a publicar la primera revista de electricidad eólica del mundo, diseñó aerogeneradores e impartió cursos a electricistas eólicos, además de fundar en 1904 la “Asociación de Ingenieros Eólicos de Dinamarca. La grandes crisis de abastecimiento energético, principalmente durante la Segunda Guerra Mundial y las crisis del petróleo de 1973 y 1979, imprimieron positivos impulsos para el desarrollo de esta tecnología y su aplicación a la generación de electricidad tal y como lo estamos viviendo en nuestros días (Cádiz,1984). Las fuentes renovables son recursos que continuamente se están generando a una velocidad similar a la de su consumo por el hombre (solar, eólica, biomasa, etc.) La energía eólica es una de las fuentes de energías renovables para la que se dispone de una tecnología madura, por lo que su explotación es técnica y económicamente viable, en unas condiciones de producción y coste competitivas con las fuentes de energía tradicionales (EWEA,2009). El apoyo que se está dando por parte de los gobiernos a las energías renovables se debe por un lado a la necesidad de encontrar fuentes de energía no convencionales que permitan atender la gran demanda de energía de las sociedades humanas, a la vez que se ahorra el Energías renovables y desalación. II-5 consumo de combustibles fósiles consiguiendo reducir así el uso de recursos agotables, y por lo tanto, promover un modelo de desarrollo sostenible. Por otro lado, además de conseguir una mayor independencia energética de otros países, se consigue limitar la emisión de gases contaminantes (efecto invernadero). Las principales ventajas de la energía eólica son las siguientes:  No hay emisión de gases contaminantes y tampoco utiliza agua.  Es una fuente de energía renovable, sin requerir procesos de extracción subterráneos o a cielo abierto como ocurre en minería o geotermia.  Su uso y posibles incidentes en su explotación no implican riesgos ambientales de gran impacto (derrames, explosiones, etc.)  Ahorra combustibles fósiles y diversifica el suministro eléctrico. El principal problema asociado a la energía eólica es que el viento es disperso y de gran variabilidad y fluctuación (tanto en velocidad como en dirección), por lo que no todos los lugares son adecuados para una explotación técnica y económicamente viable de energía eólica. Su impacto medioambiental se produce a escala local y se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos y se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos:  Aumento del nivel de ruido.  Impacto visual.  Impacto sobre la fauna, es particular sobre aves.  Ocupación del suelo. Los parques eólicos requieren un área de terreno considerable dado que se deben mantener distancias entre aerogeneradores del orden del centenar de metros a fin de evitar los efectos de sombra eólica o de la perturbación de las máquinas entre ellas mismas.  Interferencias con transmisiones electromagnéticas. Los rotores de las centrales eólicas pueden producir interferencias con los campos electromagnéticos y afectar a la transmisión de señales. A pesar de los efectos medioambientales anteriormente citados, la energía eólica presenta un elevado nivel de aceptación social por parte de la población frente a otros tipos de energía (nuclear, térmicas de carbón, etc.) que muestran unos niveles de rechazo mucho más elevados. 2.2.1.2 Estado del desarrollo mundial En el año 2010, la capacidad instalada de energía eólica en todo el mundo llegó a los 196’630 Megavatios, luego de 159’050 MW en 2009, 120’903 MW en 2008, y 93’930 MW en 2007. La inversión en nuevas instalaciones tuvo un descenso en muchas partes del mundo. Por primera Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-6 vez en más de dos décadas, el mercado para nuevas turbinas fue más pequeño que el año anterior, llegando a 37’642 MW, luego de 38’312 MW en 2009. China representó más de la mitad del mercado eólico en 2010. Sin tomar en cuenta a China, el mercado mundial se redujo un tercio con un decrecimiento desde 24’512 MW hasta 18’714 MW. Sin embargo, y a pesar de la desaceleración, la tendencia sigue siendo doblar la capacidad instalada cada tres años. En el año 2010, 83 países, uno más que en 2009, utilizaron la energía eólica para la generación eléctrica. 52 países incrementaron su capacidad instalada, luego de que 49 lo hicieron el año anterior. El volumen de negocios en el sector eólico alcanzó los 40 billones de euros (55 billones USD) en 2010, luego de que alcanzara los 50 billones de euros (70 billones USD) en el año 2009. El decrecimiento se debe a la baja de los precios de los aerogeneradores. Figura 2.2 Instalación de Energía Eólica en el mundo (WWEA-2011) Figura 2.3 Nuevas instalaciones de Energía Eólica en el mundo (WWEA-2011) Energías renovables y desalación. II-7 La disminución fuera de China de la capacidad instalada durante 2010, se puede ver como el resultado de la falta de apoyo político para el fomento de la utilización de la energía eólica. En una situación paradójica, mas y mas políticos manifiestan su apoyo a la energía eólica, pero tales declaraciones no van de la mano con las decisiones políticas necesarias. Mientras que el año 2009 ha visto dos hitos importantes - la primera ley feed-in en Ontario, América del Norte, y la introducción del primer sistema feed-in en África - el año 2010 no trajo ninguna decisión de alcance similar en las políticas nacionales o internacionales. Especialmente en los EE.UU., existe una gran incertidumbre con respecto a las regulaciones y no se presta suficiente atención a las energías renovables. También, en muchos países en desarrollo aun existe una enorme brecha en lo que respecta a política. No existe suficiente estabilidad y fiabilidad en las estructuras de mercado así como también la falta de recursos financieros. Para el final del año del 2010, alrededor de 670’000 personas a nivel mundial trabajan directa e indirectamente en alguna de las distintas ramas del sector eólico. En los últimos cinco años el número de empleos se triplico desde 235’000 en 2005. Existe una creciente demanda de profesionales en distintas áreas, desde ingenieros, trabajadores especializados hasta gerentes y expertos en finanzas, ciencias ambientales y leyes. La energía eólica en Europa. Europa sigue representando la región del mundo con la mayor capacidad eólica instalada con un total de 86 GW. Sin embargo, con una disminución de su participación al 43,7 % en la capacidad mundial, el papel de Europa sigue disminuyendo y el tamaño del mercado eólico europeo incluso disminuyó en el último año: El sector eólico europeo añadió 9'970 MW inferior a los 10'474 MW en el año 2009. Alemania (capacidad total de 27'215 MW, incremento de 1'551 MW después de un aumento de 1'880 MW en 2009) y España (en total 20'676 MW, incremento de 1'527MW después de un aumento de 2 '460 MW en 2009) son, con diferencia, los mayores mercados aunque con tasas de crecimiento muy modestas (5,6% y 8,0%). Los mercados europeos de tamaño medio con un fuerte crecimiento, alrededor del 20 %, son Italia (5'797 MW, nuevo: 950 MW) Francia (5'660 MW, adicionales: 1'086 MW) y el Reino Unido (5'204 MW agregó: 1'112 MW). Algunos de los mercados más dinámicos, pero todavía pequeños, se pueden encontrar en Europa del este: Rumania (más que 4'000 % de crecimiento, 591 MW de capacidad total) Croacia (161 %, 70 MW) Bulgaria (112 %, 375 MW) Lituania (69 %,154 MW) Polonia (53 %, 1'107 MW) y Hungría (47%, 295 MW). También Suiza (139 %, 42 MW) Bélgica (62 %, 886 MW) Turquía (60 %, 1'274 MW) y Chipre (82 MW desde 0) mostraron un crecimiento impresionante. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-8 Figura 2.4 Evolución de la energía eólica en Europa (WWEA-2011) Los fabricantes de aerogeneradores daneses, alemanes y españoles siguen siendo líderes. Sin embargo, competidores especialmente de Asia (China, India, Corea y Japón) han sido capaces de aumentar sus cuotas de mercado en mercados nacionales e internacionales. A pesar del estancamiento en 2010, las perspectivas generales en Europa son buenas, teniendo en cuenta los objetivos ambiciosos de muchos países: En Alemania, se esperar llegar a una cuota de energía eólica en el suministro de electricidad de 20-25 % para el año 2020. Esto sería equivalente a 150 TWh o 45 GW de instalaciones en tierra, más 10 GW Offshore. En España, se esperan 38 GW de capacidad instalada para el año 2020 incluyendo 370 MW en tierra y 3 GW de energía eólica Offshore. El Reino Unido, líder mundial en energía eólica Offshore, ha establecido un objetivo para el año 2020, de 15 GW en tierra y 13 GW Offshore. Italia fijó como objetivo llegar a los 12'680 MW instalados al 2020 lo que sería más del doble de su capacidad instalada. La Energía eólica en España. Desde mediados de los años 90, la evolución de la potencia instalada eólica ha aumentado espectacularmente desde un 1,54 % en 1998, a un 17,6 % diez años después. La producción de energía eólica en España es la segunda de Europa y la cuarta del mundo. En 2010 cubrió el 16,6% de la demanda eléctrica y se consolidó como la tercera tecnología que más aporta, tras la nuclear y los ciclos combinados. El día 18 de abril de 2012 se produjo el máximo histórico de producción instantánea hasta entonces con 16.636 MW a las 16:41. Asimismo se produjo ese día el máximo de producción horaria con 16.455 MWh entre las 17 y las 18 horas y de producción diaria con 334.850 MWh. Esta es una potencia superior (más del doble) a la capacidad de generación de las seis centrales nucleares que hay en España (7.742,32 MW). Energías renovables y desalación. II-9 Figura 2.5 Evolución de la energía eólica en España (AEE-2011) Castilla y León lidera la generación eólica en España, según datos de la AEE. En 2010 instaló 917 MW, el 60% de toda la nueva potencia en el país, y alcanzó un total de 4.803 MW, gracias a sus 204 parques eólicos. Las siguientes comunidades más productoras son Castilla-La Mancha, con 3.709 MW y 121 parques, Galicia, con 3.289 MW y 150 parques, Andalucía, con 2.979 MW y 130 parques, y Aragón, con 1.764 MW y 76 parques. Las empresas españolas promotoras de esta energía renovable presentan unos datos que las sitúan como líderes a nivel mundial. Iberdrola Renovables fue en 2010 la empresa que más potencia eólica instaló en el mundo: ofrece sus servicios en 23 países. Sus responsables pusieron en marcha 39 parques eólicos en ocho países, con una potencia total de 1.780 MW. El 60% de este total se encuentra en Estados Unidos. Iberdrola también encabeza el ranking español, con un total de potencia instalada de 5.168 MW y una cuota de mercado del 25%. Acciona Energía, con 4.036 MW y una cuota del 19,5%, y EDPR, con 1.862 MW y una cuota del 9%, son las otras grandes empresas promotoras en España. En cuanto a los fabricantes de aerogeneradores, Gamesa es la principal empresa, con 9.846 MW y una cuota de mercado del 47,6 %. La otra gran empresa de la fabricación de molinos eólicos es Vestas, con 3.528,72 MW y una cuota del 17,1%. La energía eólica en Canarias. Con respecto a la situación en Canarias, en la tabla siguiente se muestra la estimación de potencia y producción de energía eólica en Canarias prevista en el PECAN para el periodo 2005-2015, así como la evolución real de estas magnitudes hasta el 2010 y las nuevas previsiones para el periodo 2011-2015, en base a la información disponible hasta el momento. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-10 Figura 2.6 Evolución de la instalación de potencia eólica en Canarias (Gobierno de Canarias 2012) Figura 2.7 Evolución de la producción de energía de origen eólico en Canarias (Gobierno de Canarias 2012) Energías renovables y desalación. II-11 Tal y como se refleja en las tablas y gráficos anteriores, el PECAN estimaba que tanto la potencia como la producción de energía eléctrica de origen eólico se duplicaría en el año 2008 y nuevamente en el 2009. Sin embargo, en los últimos años la potencia instalada se ha mantenido en algo menos de 140 MW, sólo un 2% por encima de la potencia con la que se contaba al inicio del periodo de planificación para el conjunto de Canarias, razón por la cual las previsiones de producción tampoco se han cumplido, quedándose claramente por debajo de las estimaciones del PECAN, con diferencias del 74% en 2010. No obstante se espera que la potencia instalada en Canarias a partir de esta fuente renovable se incremente considerablemente a partir del año 2012, y poder alcanzar así el objetivo del PECAN, consistente en disponer de una potencia total de 1.025 MW en 2015. Para ello, se ha tenido en cuenta las instalaciones eólicas que actualmente cuentan con autorización administrativa para su instalación, las cuales suponen un potencia adicional total para Canarias de 96 MW, así como las instalaciones que han obtenido asignación de potencia obtenida en el último concurso eólico convocado, destinado a verter toda su energía a la red y que suponen un total de 440 MW adicionales. Asimismo, se ha considerado que en el año 2015 se añadirá la potencia resultante de un nuevo concurso de asignación de potencia, así como de la autorización de otras instalaciones que en su caso puedan quedar exceptuadas de concursar para la obtención de asignación de potencia, a efectos de completar la potencia total permitida en el artículo 4 del Decreto 32/2006. Con ello, se estima una potencia adicional de 350 MW. Bajo los anteriores supuestos, los objetivos de potencia instalada en 2015 se mantienen en todas las islas como factibles. No obstante, dado el volumen de instalación de renovables previsto, se podrían producir situaciones en las que los sistemas eléctricos canarios no puedan integrar toda la energía de origen renovable, por lo que las nuevas previsiones de producción de energía eléctrica de origen eólico son inferiores a las previstas inicialmente. A efectos de asegurar el máximo aprovechamiento de los recursos, la incorporación de sistemas de almacenamiento en los sistemas eléctricos permitiría una óptima integración de las renovables. 2.2.1.3. Tecnologías Disponibles Existen más de 30 fabricantes de aerogeneradores en el mundo que producen diversos tipos de aerogeneradores. La tecnología de aerogeneradores de pequeña y media potencia (<600 kW) es una tecnología garantizada, los factores de disponibilidad de las máquinas es superior al 90%, alcanzándose el 99% en los de última generación. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-18 2.2.1.8. Sistemas aislados No tienen conexión con la red por inexistencia de la misma, por impedimentos legales, técnicos o preferencia del autoconsumo frente al consumo de red. El consumo suele ser en continua en caso de precisar consumo en alterna se utiliza una etapa inversora. Generalmente por la incertidumbre del recurso eólico, se acumular energía en baterías electrolíticas, para usarla en periodos de calma, a fin de evitar esta alternativa es necesario realizar un análisis de vientos, frecuencias, máximos periodos de calma, para definir la potencia del generador eólico y la capacidad del sistema de acumulación. Otro tipo de sistemas son los híbridos integrados, permiten disminuir los periodos de ausencia de energía. El eólico-diesel con su grupo electrógeno otorga la potencia eléctrica que el aerogenerador no suple. El sistema eólico-solar es utilizado más ampliamente, en periodos de poca disponibilidad de viento se complementa bastante bien con la radiación solar directa, la estrategia está en definir el tamaño de las baterías, de las placas y del aerogenerador, El sistema eólico-hidráulico depende de la disposición de caudal, en periodos de estiaje puede turbinarse agua dependiendo su periodo máximo de autonomía para diseñar la capacidad de las baterías. 2.2.1.9. Costes La optimización de componentes y la optimización en la fabricación ha logrado disminuir el coste de los aerogeneradores que se sitúa en torno a los 500 €/kW y 700 €/kW. Los costes totales varían entre las 700 €/kW y las 1.000 €/kW, directamente condicionados al apartado orográfica y accesos del emplazamiento. El coste del kilovatio hora producido se sitúa en entre 0,04-0,08 €/kWh, en zonas de óptimo potencial eólico. En referencia al tamaño de los aerogeneradores se ha incrementado a máquinas de más de 1500 kW y 75 metros de diámetro. Es muy complicado comparar aeroturbinas de diferentes tamaños, debemos determinar los costes que suponen la instalación de la torre, el equipo de baterías, el regulador de carga, obra civil, transporte, etc. La turbina supone un 15 a un 50% del total invertido en la instalación. 2.2.2. Tecnología Solar Fotovoltaica 2.2.2.1 Introducción La Energía solar fotovoltaica ha experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años, impulsada por la necesidad de asumir los retos que en materia de generación de energía se presentan. Energías renovables y desalación. II-19 Este crecimiento se ha producido gracias a los mecanismos de fomento de algunos países, que, como España, han propiciado un gran incremento de la capacidad global de fabricación, distribución e instalación de esta tecnología. A finales de 2010, la potencia acumulada en el mundo era de aproximadamente 40.000 MWp según datos de la European Photovoltaic Industry Association (EPIA), de los cuales cerca de 29.000 MWp, un 72%, se localiza en la Unión Europea. Para los próximos años se espera que el continuo crecimiento de la última década a nivel mundial se mantenga. Las tres áreas de mayor interés en el mundo, según la potencia acumulada, son Europa (destacando Alemania y España, con más de un 52% del total mundial), Japón y EE.UU. Japón con cerca de 3.622 MW acumulados y EE.UU. con aproximadamente 2.727 MW representan el 9% y el 6,80% respectivamente de la potencia total. En el gráfico siguiente se representa el histórico de la potencia acumulada a nivel mundial en los últimos años, apreciándose claramente el crecimiento exponencial. A corto plazo es previsible que esta distribución del mercado se mantenga, si bien hay países que empiezan a despuntar, lo cual hace suponer también que en el futuro el peso relativo de los países con más potencia no será tan preponderante como en la actualidad. Así países como Italia, que se convierte en el año 2009 en el segundo mercado mundial, con 711 MW instalados, y en el año 2010 se estiman unos 2.321 MW más. En Europa la República Checa que instaló en 2009 411 MW y en 2010 aproximadamente unos 1.490 MW, y Bélgica 210 MW en 2010. Japón y Estados Unidos siguen manteniéndose en sus posiciones con 990 MW y 980 MW instalados respectivamente. Figura 2.11 Potencia Fotovoltaica acumulada en el Mundo Los datos más relevantes de la industria solar fotovoltaica en el mundo son: Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-20  Los países principales por potencia instalada en 2010, por orden, fueron: Alemania (7.408 MW), Italia (2.321 MW), República Checa (1.490 MW) Japón (990 MW) y EE.UU. (980 MW).  La potencia mundial instalada en el año 2010 fue de 16.600 MW, lo que supuso un incremento del 72% de la potencia mundial acumulada con respecto al año 2009.  El 79% de la potencia mundial instalada en 2010 fue en la Unión Europea, con más de 13.240 MW. Dentro de la Unión Europea el mercado alemán fue claramente el preponderante representando el 59% de todo el mercado europeo.  Japón ha instalado 990 MW en 2010 llegando a una potencia total instalada de 3,6 GW.  EE.UU. instaló en 2010 980 MW en 2010, alcanzando aproximadamente los 2,7 GW.  Italia con una potencia total acumulada de 3,4 GW se convierte en el segundo mercado mundial en el año 2009 y 2010, habiendo instalado 711 MW y 2.321 MW respectivamente. Aparecen nuevos actores como China con 520 MW acumulados y la India con 30 MW. En 2010 se alcanzó una producción mundial de células fotovoltaicas de 27.213 MW. Los primeros fabricantes de células fotovoltaicas en el mundo han sido Suntech Power (5,8% del mercado mundial), JA Solar (5,4%), First Solar (5,2%), Trina Solar (3,9%), Q-Cells (3,7%), Yingli (3,6%), Motech (3,5%), Sharp (3,3%), Gintech (3,0%) y Kyocera (2,4%). En el año 2010, aproximadamente el 87 % de las células se fabricaron con silicio, de las cuales con silicio monocristalino el 33,2 %, con policristalino el 52,9 %, y con amorfo el 5%; el 5,3 % con telururo de cadmio, el 1,2 % con cobre, selenio e indio (CIS), y el 2,4 % restante con otras tecnologías, según datos de la revista especializada Photon International. 2.2.2.2. Estado del desarrollo de la energía solar fotovoltaica en Europa. En Europa, según datos de EurObserv‘ER, la potencia instalada ascendía a finales de 2010 a 29.327 MWp, repartidos entre 29.173 MWp de instalaciones conectadas a red y 154 MWp de instalaciones aisladas de la red eléctrica. En la siguiente figura se muestra las potencias Energías renovables y desalación. II-21 acumulada en 2010 en los principales países de la Unión Europea. Figura 2.12 Potencias fotovoltaicas acumuladas en la Union Europea Alemania es el país de la Unión Europea con mayor potencia fotovoltaica acumulada, con 17.370 MW instalados en 2010. Domina claramente el mercado europeo, representando el 59 % de éste. España, con 3.787 MW acumulados, es el segundo país por potencia acumulada en 2010. En el año 2008 España fue el primer país por potencia instalada, con 2.705 MW, frente a los 1.809 MW de Alemania, que fue el segundo país del mundo. La potencia instalada en España en 2009 no obtuvo un incremento tan fuerte como en el año anterior debido al cambio de regulación del sector. El cierre de 2010 muestra un incremento con respecto a 2009. No obstante las nuevas modificaciones legales y eliminación de primas preveen una nueva disminución de las instalaciones. Entre el resto de países destacan Italia, República Checa, Bélgica y Francia, que estudian políticas de desarrollo a semejanza de Alemania y España. Es de destacar en este sentido al gobierno italiano, que mediante la aprobación del Nuevo Conto fija una prima fija adicional al precio de mercado de la energía. Esta prima varía según el nivel de integración de la instalación y es válida durante los 20 primeros años de explotación. El crecimiento del sector fotovoltaico en Italia, por tanto, se asienta bajo las premisas de incentivos y la simplificación de los trámites administrativos. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-22 Italia, con estas políticas, ha alcanzado unos 711 MW instalados en el año 2009 y un total acumulado en el año 2010 de 3.478 MW. 2.2.2.3 .Estado del desarrollo de la energía solar fotovoltaica en España. El desarrollo de la energía solar fotovoltaica antes del año 2000 era muy escaso, y su venta a la red estaba fomentada mediante primas que cobraban los productores por cada kWh inyectado a la red sobre el precio del mercado. En 2004 esta energía representaba una parte muy pequeña del conjunto de las renovables, que en total suponían aproximadamente el 6,5% del consumo de energía primaria. Desde el año 2000, y con la aprobación del Plan de Fomento de Energías Renovables en 1999, la instalación de placas fotovoltaicas ha ido creciendo un 40% cada año. El objetivo era llegar a los 143.000 kilovatios instalados en 2010, cubriendo al menos el 12% del consumo de energía primaria mediante renovable. Entre 2004 y 2007, el consumo de energía a partir de renovables se incrementó en un 10% (de 9.152 a 10.228 Ktep). La tendencia y las previsiones son ascendentes, para este año 2012 se prevé que el 12,3% del consumo de energías primarias corresponderá a las renovables. La industria fotovoltaica, aportó un 0,62% del PIB entre 2006 y 2008 y mantuvo 93.000 empleos durante 2009. Durante el año 2008 España se convirtió en el primer mercado fotovoltaico del mundo, con más de 2.500 MW instalados, superando con ello a Alemania, tradicional líder internacional en implantación de la energía solar. Sin embargo, a diferencia de lo que ha ocurrido en Alemania, el crecimiento en España no se ha producido de un modo sostenible: si el Gobierno quería conectar 371 MW solares a la red en 2010, en la actualidad en España hay casi 10 veces más potencia instalada, puesto que se superan los 3.300 MW. Como resultado, el Gobierno recortó su política de ayudas al aprobar el Real Decreto 1578/2008. Este recorte llegó a casi paralizar el sector fotovoltaico español a causa de los cambios de regulación: A grandes rasgos, este recorte se ha traducido en paralizar el mercado durante más de seis meses por el cambio regulatorio; reducir la retribución por la energía producida un 30%; introducir una reducción progresiva de la retribución que puede superar el 10% anual; establecer un límite máximo anual de 500 MW durante los próximos años, con un nuevo registro para adjudicar esta potencia que complica la tramitación administrativa de los proyectos; y dividir el mercado en dos segmentos, uno para plantas solares en suelo y otro para instalaciones incorporadas a la edificación, cuando más del 95% del mercado estaba orientado al suelo. Con respecto a los datos de años anteriores, la Comisión Nacional de Energía refleja que en 2009 se instalaron en España 17 MW fotovoltaicos, a diferencia de 2010, que se instalaron 392 Energías renovables y desalación. II-23 MW (un 2305% más). Este porcentaje tan desorbitado lo que refleja mas bien es el hundimiento durante 2009, no una evolución extraordinaria del mercado en 2010. La realidad es que entre 2009 y 2010 el Gobierno adjudicó 979 MW, de los que no se han instalado ni la mitad. Debido a la desconfianza generada por las normas retroactivas aprobadas en 2010 y la mala situación financiera, gran parte de la potencia asignada en 2010 no se instaló en 2011. La mala situación financiera se está viendo en que numerosos proyectos inscritos en el Registro de Preasignación de Retribución no están consiguiendo el capital necesario para su ejecución. Por tanto, ante esta situación lo que están haciendo las empresas del Sector Fotovoltaico nacional es intensificar la salida hacia otros mercados exteriores para desarrollar su actividad, ya que la situación en España no se corresponde con lo que sucede más allá de nuestras fronteras. De las últimas legislaciones divulgadas al respecto es el Real Decreto 1699/2011, de 18 de noviembre, por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia (inferiores a 10 kW), y el Proyecto de Real Decreto por el que se establece la regulación del Autoconsumo fotovoltaico o Balance Neto en España. El decreto publicado regula la venta de energía al conectar las pequeñas instalaciones fotovoltaicas a la red, y el no publicado regulará la contratación de un nuevo suministro para autoconsumo, un contrato derivado de esta nueva situación de conexión a la red. Es precisamente ese decreto aun no publicado el que suscita más interés, según el cual a empresa comercializadora establecerá un nuevo tipo de contrato, denominado consumo de balance neto. En el que los excedentes de la instalación fotovoltaica quedarán “almacenados” en la red. Consumir la energía almacenada tendrá coste cero, en caso de energía faltante el precio será el acordado entre productor y consumidor. No habrá restricciones de quién pueda contratar el consumo con balance neto, lo que ayudará a que el mercado de baja tensión pueda ser muy competitivo. En Enero de 2012 el Gobierno aprobó el RDL 1/2012 por el que se procede a la suspensión de los procedimientos de pre asignación de retribución y a la suspensión de los incentivos económicos para nuevas instalaciones fotovoltaicas y demás fuentes renovables. En la práctica tal RDL supone que las nuevas plantas fotovoltaicas que no estén inscritas en cupos no recibirán prima alguna pero podrán vender la energía a precio de mercado. La potencia fotovoltaica total conectada a red en España a Marzo de 2012 es de 4.243 MW, con un total de 57.718 instalaciones fotovoltaicas inscritas en el Registro de Instalaciones de Producción en Régimen Especial. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-24 2.2.2.4 Islas Canarias Con relación a la energía de origen fotovoltaico, el Plan Energético de Canarias (PECAN), sólo recoge la previsión de la potencia instalada en Canarias por islas a lo largo de todo el horizonte temporal del Plan. En el gráfico siguiente se muestra dicha previsión, así como su evolución real hasta el 2010 y las nuevas previsiones hasta el 2015. Figura 2.13 Evolución de la energía Fotovoltaica en Canarias (GobCan 2012) El boom experimentado por la fotovoltaica en los últimos años ha tenido como consecuencia una evolución de la potencia instalada para el conjunto de Canarias por encima de las previsiones del PECAN, pasando de crecimientos negativos cercanos al 50% en 2005, a crecimientos positivos del 20% en 2008 y de casi el 8% en 2009, respecto de las previsiones iniciales para esos años. Si se analiza esta evolución por islas, se comprueba que Tenerife es la que más ha contribuido a este avance, en donde la potencia instalada pasó de estar en 2005 un 91% por debajo de los objetivos de PECAN-2006, a estar un 92% por encima de dichas previsiones en 2009. Por su parte, la evolución de la potencia instalada en Gran Canaria se ajusta más a la inicialmente esperada, pasando de estar en 2005 un 19% por debajo de las previsiones, a un 12% por encima de los objetivos iniciales en 2008, situándose en 2009 en niveles similares a los previstos. En el resto de islas los crecimientos han estado muy por debajo de lo esperado. Sin embargo, el nuevo marco retributivo establecido tras la publicación del Real Decreto 1578/2008, podría suponer el estancamiento a la inversión privada en esta tecnología. Por ello, en las nuevas previsiones sólo se ha tenido en cuenta las instalaciones que a finales de 2010 contaban con autorización administrativa, pendientes de ejecución, y que suponen un total para Energías renovables y desalación. II-25 Canarias de 111 MW adicionales (35 MW en Gran Canaria; 2,4 MW en Lanzarote; 4,3 MW en Fuerteventura; 65,6 MW en Tenerife y 4,1 MW en La Palma). En el caso de La Gomera y El Hierro únicamente se ha previsto un crecimiento mínimo en lo que resta de horizonte de planificación, similar al registrado en los últimos años en esas islas (0,02 MW adicionales en cada isla). Con todo ello, las nuevas previsiones para el conjunto de Canarias son claramente superiores a las iniciales (casi un 50% por encima en 2015), estimándose una potencia total instalada en Canarias de 238 MW al final del horizonte temporal del PECAN, frente a los 160 MW inicialmente previstos. La isla de Tenerife es la que más seguirá contribuyendo a este avance, estimándose una potencia instalada un 165% superior a la prevista en el PECAN en el año 2015. Asimismo, en Gran Canaria y en La Palma las nuevas previsiones son también superiores a las antiguas (un 34% y un 59% superior en 2015, respectivamente). Sin embargo, en el resto de islas las nuevas previsiones estiman unas potencias instaladas muy inferiores a las previstas en PECAN-2006. 2.2.2.5. Caracterización de la energía solar. La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la transformación directa del sol en energía eléctrica. Esta transformación se realiza mediante, entre otros métodos, con los paneles fotovoltaicos (PV). Los PV consisten en materiales semiconductores que absorben la luz. La energía solar produce la excitación del electrón, que provoca la separación de este de su átomo, permitiendo le pasar por el material para producir electricidad. 2.2.2.6. Estructura básica de una célula solar. Módulo fotovoltaico. Un semiconductor con una estructura p-n hace posible la circulación de la corriente eléctrica gracias a la presencia de un campo eléctrico. En el caso del material semiconductor silicio la región tipo n se impurifica con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, uno más que el silicio, y es una región con una concentración de electrones mayor que la de huecos. La región tipo p se impurifica con boro, que tiene tres electrones de valencia y por tanto una región con una concentración de huecos mayor que la de electrones. El otro concepto importante en la estructura de una célula solar es la malla de metalización frontal, los contactos metálicos que se han de realizar para extraer la corriente eléctrica de la célula. La célula debe absorber la luz. En consecuencia el lado de ésta que queda directamente expuesto al sol, no puede recubrir totalmente la superficie de la célula. El porcentaje de superficie que recubre se denomina factor de recubrimiento o de sombra, Fs. Por el contrario el contacto eléctrico sobre la cara no eliminada cubre toda el área. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-26 Figura 2.14. Estructura de una célula convencional. Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión y otra parte por transmisión. El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula. Para su empleo práctico, las células solares se asocian eléctricamente en diferentes combinaciones que permiten obtener los valores de corriente y voltaje necesarios para una aplicación determinada y se encapsulan entre materiales que las protegen de los efectos de la intemperie. El conjunto de células, conexiones, protecciones, soportes, etc., constituyen lo que llamaremos el generador fotovoltaico. Módulo fotovoltaico. Las células se expiden al mercado en grupos de ellas, asociadas eléctricamente entre sí y encapsuladas en un único bloque llamado panel o módulo fotovoltaico, y que constituye el elemento básico con el que se construyen los generadores fotovoltaicos (Carta et al,2009). Figura 2.15. Módulo fotovoltaico. El módulo fotovoltaico proporciona los niveles de voltaje y corrientes adecuados a cada aplicación, protege a las células frente a las agresiones de los agentes de la intemperie, las aísla eléctricamente del exterior y, por último, de rigidez mecánica al conjunto. Otras características de interés son la facilidad de instalación, la limpieza, la disipación de calor de las células, el tiempo de vida y el bajo coste. 1. Capa anti-reflexión. 2. Superficie de contacto de la cara posterior (electrodo positivo). 3. Rejilla de contacto de la cara anterior (electrodo negativo). 4. Base, silicio con carga positiva. 5. Emisor, silicio con carga negativa. 6. Zona de carga espacial. 7. 7 Capa intermedia. Energías renovables y desalación. II-27 Figura 2.16 Corte transversal de un panel fotovoltaico. 2.2.2.7. Tecnologías Disponibles Dentro de la energía solar fotovoltaica generalmente se acepta como método de clasificación de las diferentes tecnologías que se utilizan el de los materiales que en la célula solar realiza la conversión energía solar/ energía eléctrica. La tecnología más extendida es la del silicio monocristalino, X-Si, seguida por la del silicio policristalino, p-Si, el silicio amorfo, aSi, las células de alto rendimiento, generalmente GaAs o compuestos relacionados InP, InAs, TeCd, CIS, etc. Finalmente se presentan las células multiunión y las células bifaciales.  Células de silicio monocristalino Las células de silicio monocristalino son las células a las que habitualmente nos referimos como células de silicio. Como su nombre indica, todo el volumen de la célula es un único cristal de silicio. Es el tipo de células cuya utilización comercial está más ampliamente extendida hoy en día. Las eficiencias limites par este tipo de células, a nivel de producción industrial se situan entorno 17%.  Células de silicio multicristalino. La utilización de células de silicio multicristalino constituye una estrategia de abaratamiento de costes mediante reducción del coste de las obleas de partida con las que se fabrica las células. El silicio multicristalino no es más que silicio constituido por trozos de silicio cristalino. La frontera entre los granos de silicio multicristalino constituye una fuente adicional de recombinación por lo que es de esperar que la eficiencia de estas células sea inferior que las homologas monocristalinas. Se entiende como células de lámina delgada aquellas en que el espesor es de entre las décimas y varias micras. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-34 Tabla 2.5.- Coste sistema fotovoltaico en €/Wp. (ASIF) En porcentaje respecto al monto total de la instalación: Tabla 2.6.- % Coste sistema fotovoltaico. (ASIF) 2.2.3 Tecnología de desalinización. 2.2.3.1 Introducción a los sistemas de desalinización. Cuando en determinadas zonas geográficas se produce una situación de escasez de recursos hidráulicos convencionales, se requiere la adopción de ciertas medidas para cubrir las necesidades de la población, del sector industrial o del agrícola (Clarke, 1993; Gleick, 1993; Gleick, 2000; Cosgrove y Rijsberman, 2000; Petrella, 2001). Esta escasez de recursos puede ser debida a la falta de lluvias (el ciclo del agua, y la lluvia como forma principal de aportación de caudales), o bien a circunstancias como puede ser una alta presión demográfica en una zona. Tradicionalmente entendemos por recursos hidráulicos convencionales los de origen natural, es decir las aguas superficiales o subterráneas. Desde hace años, sin embargo, han ido apareciendo tecnologías que permiten el acceso a otros recursos. La producción industrial de Energías renovables y desalación. II-35 agua por desalación, o la reutilización de aguas residuales depuradas, como forma de aportar nuevos caudales al ciclo de uso, ya no pueden seguirse llamando “no convencionales”, puesto que en algunas zonas están totalmente introducidas y forman parte de la planificación hidrológica, además de estar asimiladas en el paisaje. Ya son recursos tan convencionales como los demás. Eso si, son tecnologías más sofisticadas que las tradicionales, y más caras. Son intensivas en energía, requieren fuertes inversiones y una atención permanente, así como consumo de productos químicos. Además de la desalación y reutilización. Piénsese por ejemplo en las técnicas de transporte de agua hacia las islas, o las propuestas, hasta ahora inviables, de transporte de masas de hielo polar hasta zonas áridas de la Tierra. A pesar de la carestía, en algunas zonas en que el balance hidrológico está sensiblemente desequilibrado, la necesidad de la utilización de estas tecnologías es indiscutible. La desalación es el proceso de separación de minerales disueltos (sales) de aguas salobres o de mar para convertirlas en aguas adecuadas para consumo humano, uso industrial o riegos. La necesidad de utilización de los procesos de desalación ha ido creciendo a medida que en algunas zonas del mundo se han hecho insuficientes los suministros fiables de agua dulce. La limitación de los recursos disponibles plantea un amplio debate en el que destacan dos cuestiones: la reestructuración del regadío tradicional, en el que se infrautiliza este recurso primario y escaso dada la baja eficiencia global del mismo, y la búsqueda de soluciones a la actual escasez de agua. Por todas estas razones, la desalación de aguas salobres o incluso de mar despierta gran interés, si consideramos que aproximadamente más del 97% del agua existente en la superficie de la Tierra presenta estas características (Figura 2.20) El desarrollo al que ha llegado la tecnología de desalación permite, actualmente, la producción masiva de agua a coste moderado, aportando soluciones flexibles y adaptadas a cada tipo de necesidad. 2.2.3.2. Desarrollo Histórico de la Desalación Aunque el término desalación es de uso reciente, el proceso es conocido desde la antigüedad. El procedimiento más simple, utilizado ya desde la antigüedad, consiste en utilizar “evaporadores” los cuales, aprovechando la energía solar, evaporan el agua contenida en cajas Figura 2.20. Distribución del agua en la superficie de la Tierra Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-36 cubiertas de vidrio o plástico que se condensa en la superficie de éste, resbala y se recoge en un pequeño canalón. Este sistema, utilizado a gran escala en zonas áridas o con escasez de agua, cercanas al mar y con buenas condiciones de insolación, presta grandes servicios cuando las necesidades son limitadas. La utilización de energía solar gratuita supone una enorme ventaja, pero este tipo de desalinización puede producir, según los expertos, poco menos de medio litro de agua dulce por metro cuadrado de superficie y en climas cálidos y poco nubosos. Ya Aristóteles, 400 años a. c., puso en marcha un evaporador para dar de beber a los marineros griegos. Este método era muy rudimentario, pues estaba orientado a producciones muy pequeñas y se utilizaba en condiciones de extrema necesidad, cuando no había otra alternativa. Fue a partir de la segunda mitad del siglo XIX cuando comienza a desarrollarse un creciente interés por la calidad del agua y en consecuencia por las técnicas de desalinización debido al desarrollo de la máquina de vapor. Los continuos avances en termodinámica, en química, en mecánica y en ingeniería ayudaron a este desarrollo, permitiendo obtener equipos capaces de mayores prestaciones. En este sentido, la primera patente para desalar agua fue registrada en 1869 en Gran Bretaña, y la primera planta de desalación fue puesta en marcha el mismo año en Adén. Ya en nuestro siglo, al finalizar la Segunda Guerra Mundial, se había desarrollado una nueva técnica desalinizadora, basada en la utilización de resinas intercambiadoras de iones. Durante los años 50 se experimentaron grandes avances en el campo de la desalinización mediante cambio de fase, y a partir de esta época se construyeron gran parte de las instalaciones que actualmente existen según las técnicas de: evaporación súbita de múltiple etapa ESME (también llamada Destilación Flahs multietapa, MSF), evaporación múltiples efectos EME (Destilación multiefecto MED), y compresión de vapor, CV. Las investigaciones no han cesado en este campo; así a finales de la década de los sesenta se logró obtener la primera membrana sintética semipermeable a escala industrial y comienza a desarrollarse la técnica de desalinización por ósmosis inversa (OI). A partir de este momento la velocidad, tanto de expansión como de desarrollo, de esta técnica ha sido vertiginosa. Paralelamente se ha ido desarrollando otra técnica de separación por membrana que se basa en la aplicación de un campo eléctrico: la electrodiálisis (ED). A finales de la década de los 70, el gobierno Estadounidense se percató de la necesidad de construir plantas que pudieran potabilizar cualquier tipo de agua de charco, o de mar disponible durante esfuerzos bélicos, incluso aquellas contaminadas con elementos radioactivos, o con toxinas y gérmenes. El gobierno condujo pruebas de laboratorio y en el campo con todo tipo de agua superficial contaminada. Se probaron varios tipos de membrana de fibra hueca delgada y muchos tipos de membranas espiral. Al final de las pruebas surgió la membrana espiral modelo 1501 TFC como la única y exclusiva membrana aprobada por el ejército. Durante las pruebas Energías renovables y desalación. II-37 se comprobó que esta es la única lo suficientemente ruda como para potabilizar todo tipo de aguas: saladas, salobres, fangosas y de pantanos. Estos elementos con la membrana tipo TFC han probado su durabilidad en la planta de Jeddha, construida en 1977 por la Fluid Systems utilizando la membrana 1501. Esta planta al construirse, se convirtió en la planta de desalar agua de mar por ósmosis inversa, más grande del mundo, con una capacidad de más de 12.000 m3/día. Esta ya no es la más grande, pero sigue operando hoy exitosamente, y siendo aún de las pioneras. A finales de 1991 la capacidad mundial instalada de desalación era de 1.58 millones de m3/día, repartidos en 8.886 plantas, de acuerdo con el informe 1992 IDA Worlwide Desalting Plants Inventory de la Asociación Internacional de Desalación (IDA). En los últimos años se han promovido grandes proyectos, elevando el número de plantas a 9.900 a finales de 1993 y la capacidad instalada a 19 millones m3/día. El crecimiento de la capacidad instalada es exponencial, pasando de 1 millón de m3/día en 1969 a 9 millones de m3/día en 1982 y al doble diez años después. Hay que señalar, sin embargo, que estas cifras engloban, junto a la desalación de agua de mar, la desalación de aguas salobres y de ríos. En torno al 60% de la capacidad citada corresponde al tratamiento de agua de mar. La mayor capacidad de desalación instalada se encuentra en el área de Oriente Medio; Arabia Saudí, Emiratos Arabes Unidos y Kuwait. En España, las primeras plantas de desalación de agua de mar (1966) aparecen en Ceuta y Alcudia con capacidad de 4.000 y 143 m3/día respectivamente. En la década de los setenta comienza a instalarse plantas en las Islas Canarias, continuando con un crecimiento regular de las capacidades instaladas a lo largo de los ochenta y con una importante aceleración en los noventa en los que aparecen las plantas de mayor tamaño propiedad de las municipalidades. 2.2.3.3. Historia de la Desalación en Canarias En los últimos cincuenta años se han perforado más del 50% de los pozos y las galerías, construyendo nuestro pueblo más de dos mil kilómetros de galerías y más de cuatrocientos de pozos. Sólo con la perforación de las galerías y las instalaciones de bombeo, unido al coste de perforación de los pozos, alcanzan un valor total actualizado superior a los 21.382.327,8 mil millones de euros. El subsuelo tampoco admite el ritmo de obras de los últimos cincuenta años, con serios problemas de sobreexplotación en muchos casos. Por ello, la alternativa está en administrar bien nuestros recursos y planificar las prioridades de uso, pues los más de trescientos millones de m3 de agua que producen las galerías y pozos sufren un importante deterioro en cantidad y calidad. El aprovechamiento de aguas de escorrentía tiene también serias dificultades: las presas construidas en el archipiélago, con una capacidad de algo más de 130 Hm3, tienen claras limitaciones, con sólo un 10 ó 15% de capacidad efectiva. La entrada en crisis de los recursos convencionales embalses, galerías y los pozos (ahora los acuíferos superan en muchos casos los 30 metros de profundidad dejándolos fuera del alcance Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-38 de los aeromotores) ha permitido que las desaladoras sean la única alternativa para el suministro de agua a la población. La primera noticia de experiencia de planta desaladora en Canarias proviene de la isla de Lanzarote en el año 1964. Construyeron una unidad de evaporación súbita multietapa de 2.300 m3/día. Por aquellos años la escasez de agua en la ciudad de Las Palmas de Gran Canaria era preocupante, y en 1964 el Ministerio de Obras Públicas abrió un concurso y adjudicó la construcción y montaje de la planta desaladora Las Palmas I, que entró en servicio en el año 1969, por un importe de 4.207.084,7 millones de euros. Esta planta, también de evaporación súbita multietapa y con una producción de 20.000 m3/día en cuatro evaporadores fue en su momento una de las más grandes del mundo. Diseñada de forma que pudiese producir simultáneamente agua y energía eléctrica, para lo cual dispone de los correspondientes equipos (calderas, turbinas, alternadores, etc.) que le permiten producir 20 Megawatios (MW) de electricidad además del agua. Esta instalación ha venido prestando servicio hasta estas fechas, en que está en vías de una renovación completa. En el archipiélago disponemos de algo más de 100 desaladoras, en su mayoría construidas con recursos públicos. Sólo la inversión pública supera los 1.200 millones de euros. La inversión en instalación de desaladoras para la producción de un m3 diario ha pasado de costar más de 1800 euros a poco más de 6000. en la actualidad. Por otra parte, los gastos de personal y mantenimiento son similares para plantas de 500 m3/día o de 5.000 m3/día. En la actualidad se están desalando en el archipiélago más de 40 Hm3/año, lo que supone el tercer aporte del líquido elemento en importancia tras las galerías y los pozos. En la actualidad, la desalación de aguas en Canarias va más allá de unas determinadas técnicas de tratamiento de agua. La tecnología de la desalación ha supuesto en los últimos treinta años un factor de supervivencia para muchas comunidades de población de las islas. Lanzarote y Fuerteventura dependen casi en su totalidad del suministro de agua producida mediante desalación. Las zonas costeras de Gran Canaria, donde habita gran mayoría de la población, también se suministran mediante desalación. En Canarias las desalaciones se producen mayoritariamente por los siguientes sistemas: Ósmosis inversa: Cuya característica principal es la utilización de membranas para el filtrado de elementos salinos y obtención de agua con un sistema más económico. Sistema de destilación: Se obtiene agua de gran calidad; el principal problema que plantea es un mayor consumo energético y su instalación es más costosa. Es el sistema ideal para aguas que se reutilicen para la agricultura, ya que las aguas desaladas por ósmosis inversa alcanzan niveles de sales que las hacen no aceptables para la agricultura, teniendo que recurrir a un segundo filtrado. Energías renovables y desalación. II-39 Electrodiálisis: Proceso que utilizando membranas semipermeables, intercambiadoras de iones, permite separar los iones del agua. Es un proceso altamente competitivo para aguas con una salinidad inferior a 5 gr./l. Actualmente se puede afirmar que la desalación es una tecnología absolutamente implantada en Canarias, donde forma parte integrante del panorama de los recursos hidráulicos. Toda la zona costera de Gran Canaria (lo cual significa la gran mayoría de la población), y el conjunto de las islas de Lanzarote y Fuerteventura, se suministran de la desalación. A ello hay que añadir algunas zonas de la isla de Tenerife, por lo que podemos decir que más de la mitad de la población de Canarias se suministra con aguas desaladas. 2.2.3.4 Técnicas de desalación La utilización de las diversas técnicas ha evolucionado a lo largo del tiempo, y se han propuesto numerosos procesos para desalación de agua, aunque sólo unos pocos han tenido un desarrollo comercial importante. Los distintos procesos se han agrupado de acuerdo al principio que se aplica. Podemos, por lo tanto, distinguir tres grandes grupos, los procesos que tienen lugar por cambios de fase en el agua; los que utilizan las propiedades superficiales de las membranas, y otros que utilizan las propiedades de ión selectivo de sólidos y líquidos. Visualizamos las tecnologías de desalinización de agua de mar que nos ofrecen calidades de agua aceptables para el consumo, la salinidad media del agua de mar es de 34.800 ppm, el límite para el consumo humano es de 1.000 ppm, máximo permisible que depende de las sales disueltas, del consumo diario y del clima. La capacidad instalada en el mundo está sobre el 1000000 m3/d. siendo la desalinización la única forma no convencional para reducir el estrés hídrico de las zonas más secas del planeta, con un coste económico en la actualidad ya aceptable. La desalinización es un proceso que requiere de un considerable consumo energético. Hay un mínimo gasto termodinámico para convertir el agua salada en dulce, el consumo específico del proceso de desalinización debe hacerse en términos de energía primaria, y no en términos de consumo eléctrico como normalmente dan los suministradores. 2.2.3.5. Procesos de desalinización La tecnología de desalinización nos ofrece la solución a los problemas de abastecimiento incluso en entornos aislados y se está complementando óptimamente con las energías Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-40 renovables. Vamos a detallar los diferentes procesos de desalación que se utilizan en la actualidad. Procesos en función del principio de conversión:  Procesos con cambio de fase: Congelación y destilación.  Procesos con membranas: Osmosis inversa y electrodiálisis.  Procesos químicos: Intercambio iónico. Los procesos de destilación y ósmosis inversa son los más competitivos en el mercado:  Destilación múltiple efecto (MED).  Evaporación súbita por efecto flash (MSF).  Compresión de vapor mecánica (VC) o térmica (TVC).  Osmosis inversa (RO). También se describen otros procesos que no se han desarrollado a escala industrial debido a su bajo consumo/producción o elevada inversión necesaria, como por ejemplo:  Destilación solar.  Congelación.  Electrodiálisis.  Intercambio iónico.  Procesos de cambio de fase: destilación y congelación La desalación obtenida por destilación consiste en la evaporación parcial del agua de alimentación: evaporar agua que no contenga sales (éstas son volátiles a partir de 300 ºC): el vapor se condensa posteriormente en el interior o exterior de los tubos de la instalación y constituye el agua purificada. Los sistemas desalinizadores funcionan por debajo de la presión atmosférica, necesitan un sistema de vacío (bombas o eyectores), además de extracción del aire y gases no condensables.  Evaporación por efecto Multiflash (MSF) Es el proceso evaporativo más ampliamente utilizado, válido cuando la calidad del agua a desalar no es buena (alta salinidad, temperatura y contaminación). Su adaptación a sistemas de cogeneración favorece su implantación, su consumo específico es elevado (de 12 a 24 kWh/m3). Su principio de funcionamiento se basa en la presurización del agua de mar y calentada a altas temperaturas, luego es descargado en una cámara flash donde provocamos una caída de presión que es ligeramente inferior a la presión de saturación del vapor de agua, se produce un Energías renovables y desalación. II-41 “Flashing” (evaporación súbita) de una fracción de esta agua en vapor. Este vapor pasa por un filtro para eliminar las impurezas en suspensión y posteriormente se separa la humedad que puede contener y se condensa en la superficie exterior del intercambiador de calor. El líquido condensado se recoge como agua producto caliente. La salmuera que no ha sufrido flashing entra en una segunda etapa donde se repite el proceso a una temperatura inferior produciendo nueva cantidad de agua producto, simultáneamente el destilado de la primera etapa pasa a la sección del destilado de la segunda etapa cediendo parte de su calor disminuyendo su temperatura. El proceso de Flashing y enfriamiento se repite hasta que la salmuera y destilado son descargados como rechazo y agua producto. La operación de una planta MSF está limitada por dos temperaturas: la temperatura máxima del agua salada y la temperatura de la última etapa. La Temperatura máxima depende de la calidad del vapor suministrado externamente, de la prevención de la formación de ‘scale’ y de la concentración de esa agua y el tipo de sales disuelta en ella. Sin embargo, en la temperatura de la última etapa influyen sólo la temperatura de entrada del agua de mar y de la presión que el sistema de vacío puede mantener en esta etapa. El parámetro de operación básico de una MSF es el GOR (a veces llamado también PR) o cociente de funcionamiento (toneladas de agua dulce producidas por toneladas de vapor consumido). En la práctica un GOR de doce es el límite. La producción depende lógicamente del caudal de agua bruta introducida y del salto térmico disponible (la diferencia entre las dos temperaturas antes comentadas). Teóricamente el número de etapas no es influyente para un GOR dado, pero el número de etapas determina el área de intercambio de calor y por lo tanto para una producción dada es necesario un número de etapas más o menos fijado. Normalmente se diseñan en torno a veinte etapas con una diferencia entre etapas de unos 3 ºC.  Destilación por múltiple efecto (MED) La destilación multiefecto es el proceso de evaporación que utiliza las superficies de un intercambiador, al contrario que en el proceso MSF, aprovechando el calor latente desprendido por la condensación del vapor en el otro lado del mismo. Una planta MED tiene varias etapas conectadas en serie a diferentes presiones de operación, la primera etapa condensa por el interior de los tubos el vapor de proceso, produciendo agua salada evaporada que ha sido proporcionada en forma de ducha horizontal. El vapor formado pasa a la siguiente etapa condensándose en el interior de los tubos y produce una nueva porción de agua dulce, a menor presión. El consumo específico de este tipo de plantas es menor que las MSF (en torno a los 10-15 kWh/m3 de agua producida). La primera etapa se abastece del vapor externo del sistema recuperativo, una turbina de contrapresión (o extracción de una de condensación). Se usan compresores térmicos para mejorar el rendimiento de la planta, donde un vapor a media presión recoge parte del vapor generado en la última etapa y se comprime para la primera etapa. Un condensador final recoge el agua dulce en la última etapa precalentando el agua de aportación al sistema. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales II-42 Existen dos diseños en plantas MED; el de tubos verticales y tubos horizontales, en el primero la salmuera circula en el interior de los tubos mientras el vapor condensa en el exterior de los mismos, en el diseño por tubos horizontales el vapor condensa en el interior de los tubos y la salmuera circula por el exterior, diseño utilizado por la plantas que trabajan a bajas temperaturas incluso utilizando vapor primario con presiones inferiores a 1 at. En ambos sistemas la salmuera parcialmente concentrada se eleva al punto mas alto de la planta para distribuirla a los tubos para su evaporación, tiene la ventaja de aplicarse en forma uniforme sobre la superficie de transferencia de calor, evitando la deposición de partículas sólidas.  Compresión de vapor (VC) El proceso de compresión de vapor (VC) es similar a la destilación multiefecto, evapora el agua salada, en un lado de la superficie de intercambio, y se comprime lo suficiente para que condense en el otro lado y pueda mantenerse el ciclo de destilación de agua salvando las pérdidas del proceso y la elevación de la temperatura de ebullición del agua salada respecto a la pura. Un compresor de vapor va acoplado a un intercambiador de tubos verticales de una única etapa, simplificando todos los elementos auxiliares podemos ver que el vapor interior de los tubos es comprimido a presión atmosférica en torno a 0,2 bares (un sobrecalentamiento de unos 5 ºC) en un compresor volumétrico especial para trasegar vapor. El vapor ligeramente sobrecalentado se condensa en el exterior de los tubos del intercambiador, siendo recolectado por una bomba en su parte inferior, el consumo específico de estas instalaciones es el más bajo de los procesos de destilación: habitualmente el consumo está sobre los 10 kWh/m3. Al igual que las plantas de MED la salmuera circula del fondo del evaporador hacia el distribuidor en la parte superior a fin de conseguir el máximo grado de transferencia de calor y por tanto de evaporación. La eficiencia térmica del proceso mejora notablemente transfiriendo calor residual del producto y la salmuera de rechazo a la corriente de entrada de alimentación. La disposición del compresor puede ser vertical como horizontal.  Destilación solar Los colectores solares son los sistemas adecuados para producir agua en zonas áridas y muy aisladas del resto de poblaciones. A pesar de tener un coste energético nulo, su baja rentabilidad reside en su escasa producción por metro cuadrado de colector: tan sólo pueden destilarse unos litros al día. Por lo tanto no se han desarrollado a gran escala en lugares con un consumo elevado de agua dulce. En el sistema de destilación por colectores; el principio básico es el del efecto invernadero: el sol calienta una cámara de aire a través de un cristal transparente, en el fondo tenemos agua salada en reposo. Dependiendo de la radiación solar y factores aleatorios como la velocidad del viento, una fracción de esta agua salada se evapora y se condensa en la cara interior del vidrio. Se puede utilizar técnicas de concentración de los rayos solares apoyándose en lentes o espejos (parabólicos o lisos), pero no suelen compensar las mayores pérdidas que ello acarrea. Energías renovables y desalación. II-43  Proceso de congelación Esta tecnología consiste en congelar el agua de alimentación en contacto con el refrigerante que se evapora, se recogen los cristales de agua pura formados para fundirlos y obtener agua de pureza elevada que es independiente de la concentración del agua inicial, parte del agua purificada se utiliza para lavar el hielo de la salmuera, el resto es descargada como agua producto. Es un proceso no comercializado en escala industrial por problemas con el aislamiento térmico para mantener el frío y los mecanismos para la separación de los cristales de hielo y su adaptación a la tecnología de intercambiadores de frío. 2.2.3.6. Procesos con membranas  Ósmosis inversa Es un proceso que aplica una presión externa mayor que la presión osmótica de una disolución, utiliza la fuerza motriz como fuente energética y trabaja a temperatura ambiente, una fracción del contenido de agua de mar es introducido a alta presión a través de la membrana semipermeable donde existe un balance dinámico entre el flujo de las moléculas de agua pura y la difusión de iones inorgánicos, esto permite un amplio rango de paso de sales que define la relación del contenido en sales en el producto respecto al del agua de alimentación. El paso de sales y el flujo del agua por unidad de superficie se controlan a través de la composición de la membrana y la técnica de fabricación. La cantidad de permeado depende de la diferencia de presiones aplicada a la membrana, sus propiedades y la concentración del agua bruta. La salmuera rechazada es aprovechada para producir energía a través de turbinas de recuperación con lo que disminuye el gasto energético que requiere el proceso. El diseño de la planta de Osmosis Inversa es mucho más compleja que considerar únicamente tipos de membranas y bomba alta presión, es necesario definir y optimizar parámetros y determinar métodos de pretratamiento del agua de alimentación que afectan la vida de las membranas e inciden en el consumo energético, generalmente estos requieren de sistemas de desinfección, filtración, acidificación, inhibidores de precipitación, microfiltración. Los módulos de membrana utilizados son de fibra hueca y de espiral, diseñados ambos para contener flujos de alta presión en menor volumen para una superficie de membrana dado. En el diseño de enrollamiento en espiral las membranas están enrolladas en torno a un tubo central perforado que recoge el agua producto; el concentrado sale por el extremo de la espiral, suelen conectarse en serie o paralelo. Las membranas de fibra hueca contienen un gran número de haces tan finas como el pelo humano con su punta pegada a una resina epoxy y mantenidos a presión. El agua salada presurizada circula por fuera de las fibras mientras el filtrado circula por el interior de las mismas hacia el final de la fibra donde se recoge el permeado. El consumo específico de las instalación de ósmosis inversa en la actualidad está entre los 4-6 kWh/m3, se Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-4 3.1.1. Variación de la velocidad del viento con la altura y rugosidad del terreno. Existen dos problemas fundamentales ligados al perfil vertical del viento, que interesan en energía eólica (Justus,1980). 1. El perfil vertical de las velocidades de viento instantáneas (por ejemplo el viento medio sobre uno o dos minutos). 2. El perfil vertical de las velocidades medias de viento (por ejemplo las medias mensuales o anuales), o de las distribuciones de frecuencias de viento medio. Estos son los dos problemas distintos e independientes, sin posibilidad de ser tratados por medio de un único método. La proyección de los perfiles verticales de vientos instantáneos está muy estudiada, utilizándose la teoría de la capa límite turbulenta. Por el contrario, la proyección vertical de las velocidades medias durante largos períodos está relacionada con las estadísticas sobre la ocurrencia de los diversos fenómenos que la influyen, tales como la estabilidad de la atmósfera y su estudio necesita una aproximación más empírica. Si se aplica la teoría de la capa límite similar a la parte inferior de la capa límite atmosférica se obtiene el perfil vertical de las velocidades de viento instantáneas valido hasta una altura sobre la superficie del orden de los 100 metros La variación vertical de la velocidad media del viento para intervalos de tiempo largos puede ser representada con una buena aproximación por medio de la ley del perfil de potencia, (variación de la potencia con la altura), que viene dada por (Carta et al,2009):   Donde n es un exponente cuyo valor puede depender de:  Las alturas de referencia Z1 y Z2  La estabilidad atmosférica.  La velocidad del viento.  Y la rugosidad del terreno. Así pues, para conocer la variación de la velocidad media con la altura es necesario determinar la dependencia de n respecto de la rugosidad y de la estabilidad. Para ello existen varios métodos propuestos. Se ha escogido la denominada ley potencial modificada Mikhail y Justus. Justus y Mikhail (1976) propusieron una relación logarítmica entre el exponente de la ley potencial y la velocidad del viento; esta relación, que está basada en un ajuste por mínimos Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-5 cuadrados, da la variación con la altura de la velocidad del viento y de los parámetros que describen la distribución de frecuencia de la velocidad del viento. El modelo de la ley potencialdada por Justus y Mikhail, y modificada por ellos mismos es:   Donde: V (m/s) es la velocidad media del viento a la altura  (m)  (m/s) es la velocidad media del viento a la altura  (m)  viene dada por la expresión:  1  󰇯 0,088 10,088󰇡 10󰇢󰇰󰇩 6󰇪 Donde  (m) es la media geométrica de las alturas,  y   y  es la longitud de la rugosidad del terreno del sitio en estudio. La rugosidad superficial describe la textura del terreno; en una determinada superficie se calcula por la medida y la distribución de los elementos rugosos que contiene, así para superficies de tierra estos elementos son típicamente vegetación, áreas edificadas y tipo de suelo. La rugosidad del terreno se acostumbra a parametrizar por una escala de longitud llamada: parámetro de rugosidad o longitud de la rugosidad del terreno Zo. La rugosidad impide que el viento influya sobre el terreno. Un terreno llano con rugosidad superficial uniforme es el tipo de terreno más simple para colocar las máquinas. Un área grande de terreno de pasto es un buen ejemplo de terreno uniforme. Sólo hay una forma de incrementar la potencia disponible en terreno uniforme y es levantar la máquina a la mayor altura posible desde el nivel del suelo. Una medida o estimación de la velocidad media a un nivel dado puede emplearse para estimar la velocidad del viento a otros niveles. Cuando las características del terreno cambian bruscamente como es el caso del mar a la tierra o de un campo de cultivo a un bosque, etc., se dice que la rugosidad no es uniforme. El problema se aborda generando, a partir de tal discontinuidad, una capa límite, cuya altura crece con la distancia al punto de cambio dependiendo del grado de turbulencia. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-6 La longitud de la rugosidad del terreno Zo es un parámetro que representa la obstrucción física del viento. Se puede calcular la rugosidad del terreno en una determinada zona si se instala un poste anemométrico y se toman medidas del viento a diferentes alturas ajustándose a un perfil logarítmico de velocidades. Sin embargo, el problema se complica, si se pretende estimar Zo a base de observaciones visuales y dimensiones de las características del terreno y los obstáculos que sobre él existen. Frost y Nowak (1977) sugirieron la estimación de la longitud de la rugosidad del terreno según los valores dados en la siguiente tabla; Tipo de superficie Z0 (m) Barro liso, hielo Mar en calma Arena Llanura cubierta de nieve Superficie cubierta de hierba Hierba cortada Hierba baja o estepa Región llana Hierba alta Trigal Remolacha Palmito Bosque bajo Bosque alto Suburbios Ciudad 10-5 - 3x10-5 2x10-4 - 3x10-4 10-4 - 3x10-3 4,9x10-3 0,017 10-3 - 0,01 0,032 0,021 0,039 0,045 0,64 1,10 - 0,3 0,05 - 0,1 0,2 - 0,9 1 – 2 1 – 4 Tabla 3.1 Longitudes de rugosidad el terreno según Frost y Novak Anteriormente, Paeschke (1937) había estimado otros valores de Zo, para varios tipos de cultivos: Cultivos Z0 (m) Superficie cubierta de nieve Superficie cubierta de hierba Región o terreno liso Hierba baja Hierba alta Trigal Remolacha 0,0049 0,0173 0,0214 0,032 0,0394 0,045 0,064 Tabla 3.2 Longitudes de rugosidad el terreno según Paeschke 3.2 Análisis de los regímenes de viento 3.2.1 Análisis estadístico de los datos de viento. La distribución probabilística de los datos de viento es importante en el estudio de la energía eólica. Los datos de viento registrados pueden someterse a diversos tratamientos estadísticos, que permiten un mejor análisis y comprensión de su comportamiento. Entre éstos destacan la confección de “distribuciones de la velocidad“ (tanto temporales como de frecuencias), “modelos de simulación temporal” del comportamiento del viento ( para predicciones futuras ) y estudio de “ correlaciones “( relación entre las medidas del viento en dos puntos diferentes ). Los diferentes tratamientos estadísticos son (Carta et al, 2009): Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-7 0 2 4 6 8 10 12 123456789101112131415 Velocidad(m/s) Tiempo(Días) VelocidadesMediasDiarias 0 2 4 6 8 10 12 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324 Velocidad (m/s) Tiempo(Horas) VelocidadesHorariasDiarias  Velocidades Medias Horarias Diarias  Velocidades Medias Diarias y Mensuales  Frecuencias de Velocidades Medias  Frecuencias Acumuladas de Velocidades Medias  Ley de Distribución Matemática  Direcciones  Calmas y rachas Mensuales  Previsión a Largo Plazo  Simulación de Datos 3.2.1.1. Velocidades Medias Horarias Las velocidades medias horarias diarias nos muestran la variación de esta magnitud a lo largo de las 24 horas del día medio dentro de un período determinado. Figura. 3.4 Gráfica de Velocidades Medias Horarias 3.2.1.2. Velocidades Medias Diarias Las velocidades medias diarias son representadas en un gráfico a lo largo del período de estudio elegido. Figura. 3.5 Gráfica de Velocidades Medias Diarias Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-8 3.2.1.3. Velocidades Medias Mensuales En la gráfica de velocidades medias mensuales representamos las medias para diferentes años de estudio. Figura. 3.6 Gráfica de Velocidades Medias Mensuales 3.2.1.4. Histogramas de Frecuencias. En el histograma de frecuencias estudiamos cómo se distribuye a velocidad del viento en un intervalo de tiempo determinado. La distribución de frecuencias representa el tanto por ciento de horas en un período dado (mes, año, etc.) en que la velocidad se encuentra entre dos valores. Los resultados pueden venir reflejados en tablas o representados gráficamente. En el diagrama de distribución de frecuencias, la abscisa correspondiente al punto más alto es la “moda de la velocidad”. Este valor no coincide generalmente con la “velocidad media” para el período considerado, siendo normalmente menor la “moda de la velocidad” que la “velocidad media”. Figura 3.7 Histograma de Frecuencias de Velocidades 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 EN FE MA AB MY JN JL AG SP OC NO DC Velocidad (m/s) Tiempo (Meses) Velocidades Medias Mensuales 1988 1989 0 5 10 15 20 25 30 35 12345678910>10 Frecuencia (%) Velocidad (m/s) Histograma de Frecuencias Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-9 Análogamente en el histograma de frecuencias acumuladas representamos estos valores para cada rango de velocidades. En el diagrama de distribución de frecuencias acumuladas, cuanto más plano sea este diagrama (pequeña pendiente), más constantes serán las velocidades del lugar. Figura. 3.8 Histograma de frecuencias acumuladas 3.2.2. Representación matemática de los regímenes de viento. 3.2.2.1. La distribución de Weibull La distribución de Weibull recibe el nombre del físico sueco Waloddi Weibull (1939) quien la usó para representar la distribución de la resistencia a la rotura de materiales. Posteriormente esta función ha sido usada en una amplia variedad de aplicaciones, entre las que se encuentran los estudios estadísticos del viento. Trabajos de Justus et al (1978), Baynes (1974), Hennessey (1977), Ramírez y Carta (2005), Carta et al (2009b) han demostrado su utilidad en el estudio de la energía eólica. Se dice que una variable aleatoria V tiene una distribución de Weibull si su función de densidad de probabilidad viene dada por:                                    valorotro 0 0 , ; 0 v exp ),;( 1      vv vf (III.1) La distribución de Weibull es una familia de distribuciones que dependen de dos parámetros: el de forma  y el de escala . La influencia del parámetro de forma  en la función de densidad f(v,,) se representa en la Figura 3.9. Para >1 la función tiene un máximo alejado del origen, mientras que para 1 es continuamente creciente. Para =1 la función de distribución se transforma en una exponencial, para =2 la función deriva en la distribución de Rayleigh y con =3.5 se aproxima bastante a una ley Normal (Gausiana). 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 12345678910>10 Frecuencia (%) Velocidad (m/s) Histograma de Frecuencias Acumuladas Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-10 Función densidad de Weibull 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 00.511.522.533.5 Velocidad/Velocidad media Función de densidad       Figura 3.9. Función de densidad de Weibull La función de distribución F(v,,) de Weibull podrá ser determinada a partir de la función de densidad de probabilidad mediante:  1 0 (; , ) Pr exp vvv Fv V v dv                    (III.2) Realizando el cambio de variables (III.3) y sustituyendo en (III.2), se obtiene (III.4). 11 1 = v y v y dv y dy           (III.3) 0 (; , ) 1 exp v yv Fv e dy                       (III.4) Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-11 Figura 3.10. Función de distribución de Weibull 3.2.2.2. Momentos de la Distribución de Weibull El r-ésimo momento de V respecto al origen es evaluado por la integral (III.2) 0 () (,,) r rVvfv dv       (III.5) Por tanto: 1 0 exp r r vv vdv                        (III.6) Realizando el cambio de variables (III.3) y sustituyendo en (III.6) se tiene 11 0 1 r ryr r r yedy                   (III.7) Donde  es la función gamma de Euler. 1 0 () zt ztedt      (III.8) Función de distribución de Weibull 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 00.511.522.53 Velocidad/velocidad media Función de distribución       Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-12 El momento respecto al origen de primer orden será la media de la distribución, y se determinará haciendo r=1 en la ecuación (III.7) 1 1 () 1EV V             (III.9) La varianza de la distribución es el momento de segundo orden respecto de la media 2 22'22 22 21 () ( ) (1 ) (1 )Var V E V                    (III.10) El tercer momento estandarizado respecto de la media, denominado coeficiente de asimetría(3), depende solamente del factor de forma , y viene dado por:          3 2 3 2' 2 ' 2 ' 3 2 3 2 3 2 3 2 3 3 23 )(        VE (III.11) 3 32 2 312 1 131 121 21 11                                  Variación del coeficiente de asimetría -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 11.522.533.544.555.56  Coeficiente de asimetría Figura 3.11. Variación del coeficiente de asimetría en función del factor de forma Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-13 El cuarto momento central estandarizado, denominado coeficiente de curtosis (4), viene dado por:        4 2 2' 2 ' 2 2' 3 ' 4 2 2 4 2 2 4 4 364 )(        VE (III.12) 24 2 2 413 12 1 141 161 131 21 11                                   El coeficiente de variación cv, definido como el cociente entre la desviación estándar  y la media , vendrá dado por: 2 2 2 1 1 1 1 cv              (III.13) Coeficiente de variación 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6  cv Figura 3.12. Variación del coeficiente de variación en función del factor de forma La moda de la distribución, es decir el valor más frecuente, puede ser determinada calculando el máximo de la función densidad de probabilidad (III.1) Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-20 Contrastes de Ajuste Llamaremos contrastes de ajuste, a los que se efectúan sobre la forma de la distribución supuestamente generadora de los datos. Los dos contrastes básicos de ajuste son el contraste 2 de Pearson y el de Kolmogorov-Smirnov. El primero compara las frecuencias observadas con las especificadas por el modelo y es válido para distribuciones discretas o contínuas. El segundo mide la distancia entre la función de distribución empírica y la teórica y sólo es válido para variables contínuas. El contraste 2 de Pearson. Sea una variable aleatoria discreta con valores posibles x1,x2,....xk. Supongamos que en una muestra de tamaño n se han observado estos posibles valores con frecuencias O1,O2,...,Ok, donde  Oi = n. Sean p1,p2,...,pk las probabilidades que les asigna el modelo supuesto,  pi = 1, y llamaremos E1,E2,...,Ek, donde Ei = npi, a las frecuencias esperadas si el modelo es correcto. Entonces, la variable:   XOE E ii i k 2 2 1   se distribuye aproximadamente como una 2. Cuando el modelo es correcto sus grados de libertad son:  Si el modelo especifica completamente las probabilidades pi que son conocidas antes de tomar la muestra, el número de grados de libertad será k-1.  Si las probabilidades pi se han calculado estimando r parámetros del modelo por máxima verosimilitud, el número de grados de libertad es k-r-1. Para una variable continua agruparemos los datos muestrales en clases que cubran todo el recorrido de la variable (las clases extremas serán, en general, abiertas). Sean O1,...,Ok las frecuencias observadas. Calcularemos las probabilidades que el modelo asigna a estas clases, p1,...,pk y las frecuencias esperadas Ei. Si el número de clases es al menos cinco y la frecuencia esperada en cada una de ellas es al menos tres, la variable X2 anterior sigue, en este caso, asintóticamente una distribución 2, calculándose los grados de libertad como en el caso anterior. Rechazaremos el modelo cuando la probabilidad de obtener una discrepancia mayor o igual que la observada sea suficientemente baja. Es decir, cuando:   Xkr 22 1     para un cierto  pequeño. Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-21 El contraste Kolmogorov-Smirnov. El contraste Kolmogorov-Smirnov calcula la distancia máxima entre la función de distribución empírica de la muestra y la teórica. Sea x1,x2,...,xn la mustra ordenada, de manera que: x x x n12   ... La función de distribución empírica de la muestra, Fn(x), se calcula: Fx xx r nxxx xx nrr n ()         0 1 1 1 Para contrastar la hipótesis de que el modelo generador de los datos es F(x) se calcula el estadístico: DmaxFxFx nn () () cuya distribución, cuando F(x) es cierta, se ha tabulado. Si la distancia calculada Dn es mayor que la encontrada en las tablas, fijado  , rechazaremos el modelo F(x). 3.2.3. Estudio de Calmas y Rachas Es interesante determinar el número de horas en que la velocidad del viento se encuentra por debajo de un cierto valor umbral, velocidad de calma, que puede coincidir con la velocidad de arranque de un determinado aerogenerador. Para ello se estudia la evolución de las calmas en un período determinado de tiempo, recogiéndose los resultados en una tabla o diagrama. Figura. 3.13 Gráfica de calmas mensuales 0 10 20 30 40 50 60 70 80 EN FE MA AB MY JN JL AG SP OC NO DC Nº Horas de Calma Tiempo (Meses) Calmas Mensuales 1988 1989 Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-22 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 EN FE MA AB MY JN JL AG SP OC NO DC V e l o c i d a d ( m / s ) Tiempo (Meses) Rach as Mensu ales 1988 1989 Del mismo modo también interesa conocer cuáles han sido las rachas máximas mensuales del período en estudio. Figura. 3.14 Gráfica de rachas mensuales 3.2.4. Estudio de Direcciones. Al igual que es imprescindible conocer los valores de la velocidad del viento, también es importante determinar el comportamiento direccional del mismo (Carta et al,2008a; Carta et al,2008b). La forma más usual de representar los datos de dirección del viento en un período determinado es mediante una rosa de frecuencias . En este diagrama circular se representan las frecuencias de las distintas direcciones registradas. Figura. 3.15 Rosa de frecuencias. A la vez también es interesante representar los porcentajes de los distintos intervalos de intensidad de viento que actúan en cada una de las direcciones (Carta et al,2009). Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-23 Figura. 3.16 Diagrama de frecuencias de rumbos. 3.2.5. Análisis de Turbulencias Del análisis de los datos de viento se deduce que el mismo, lejos de tener una naturaleza estática, se ve afectado por fluctuaciones que determinan su comportamiento. Para poder analizar el comportamiento real del viento debemos definir algún parámetro que represente estas variaciones turbulentas de la velocidad del mismo. Es obvio que estas fluctuaciones no pueden ser estudiadas de una manera determinista, por tanto se deberá hacer uso de métodos estadísticos que definan este comportamiento turbulento (Burton et al,2001). Se han desarrollado diversas técnicas estadísticas que nos ofrecen una medida de estas turbulencias, basadas en las desviaciones de los valores instantáneos de la velocidad del viento respecto a su comportamiento medio. Las desviaciones de la velocidad del viento pueden ser estimadas en términos de varianza 2u .   2 2 1 u nut u n   () u(t) = valores instantáneos de la velocidad del viento u = valor medio de la velocidad del viento. n = número de medidas realizadas. La medida del valor de la fluctuación de la velocidad del viento nos lo dará el denominado índice de turbulencia Iu. Iu uu   Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-24 3.3 Simulación de los Regímenes de Viento Se suele presentar a la hora de procesar los datos eólicos, el problema de la carencia de información durante determinados períodos. Para salvar este obstáculo se suele recurrir a la utilización de datos de aquellos observatorios que posean series históricas aceptables , tratando de encontrar, mediante un tratamiento estadístico apropiado, la información necesaria para estimar el comportamiento medio del viento en los lugares en que sólo se disponga de series cortas de datos. Estos tratamientos estadísticos se basan en la existencia de una alta relación entre los datos de la estación patrón y la candidata, por lo que previamente a la aplicación de los mismos se precisará confirmar el nivel de relación mediante la determinación del coeficiente de correlación. Barros y Estevan (1983) proponen un método para estimar la velocidad media anual del viento basándose en períodos de medida de dos o tres meses. Este se basa en la minimización de los cuadrados de los errores entre los datos observados y una representación por medio de funciones ortogonales empíricas. Estas funciones son calculadas desde una matriz formada por series de datos de velocidad del viento de estaciones pertenecientes a la misma región. El método usa información de varias lugares de la región, por lo que se le denomina MCRT (Múltiple Climatic Reduction Technique). La técnica en esencia es la siguiente: Sea  Vij  una matriz cuyas columnas están compuestas por M series de datos de distinatas estaciones de la región de estudio y sus R filas por los elementos (medias, desviaciones, etc.) de dichas series. Podemos escribir  Vij  como:  Vij  =  Aik   Wkj  donde  Aik  es una matriz ortogonal formada por los elementos de  Vij   Vji  y  Wkj  una matriz apropiada. La expresión matricial anterior es equivalente a decir que el elemento y de la serie j puede escribirse: V aW ij ik kj k R    1 i =1.......R, j=1.......M Si las series, como puede esperarse para muchas velocidades de una misma región, no son todas independientes, una representación razonablemente precisa puede llevarse a cabo mediante: V aW ij ik kj k N    1 i=1.......R, j=1.......M Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-25 donde N<R. La diferencia entre el valor verdadero y su representación por esta última expresión es un cierto valor  ij . El valor de N es generalmente elegido de tal manera que la expresión conserve un importante porcentaje de elementos de la matriz A. La técnica que aplica Barros considera el caso de que en una estación particular (j=q) sólo se posea un corto período de datos Viq con i = L.....P, donde L1 y P R. En tal caso, Viq puede ser expresada por la última expresión ya que su valor no se ha usado para el cálculo de los elementos de la matriz A. Los valores de Wkq se determinan minimizando la suma de los cuadrados de los errores.  iq iL P2   Esto conduce a un sistema de N ecuaciones con N incognitas Wkq, k = 1.....N, las cuales permiten extender la serie Viq desde i = L......P a i = 1........R. En la aplicación desarrollada los elementos de la matriz  Vij  se refieren velocidades medias y varianzas diarias. Aplicando las expresiones desarrolladas llegamos a un sistema de ecuaciones de la forma:  Bi  =  Cij   Wi  donde i=1,…,N. j=1,…,N Los coeficientes de este sistema, como se ha señalado, se han obtenido por minimización del error cuadrático medio, llegando a las expresiones: BVA ik k p ki    1 CAA ij ki k p kj    1 Con estos coeficientes obtenemos los términos de la matriz  Wi  mediante los cuales obtenemos determinamos los valores las velocidades medias y varianzas diarias para la estación q determinada. Con los valores de las velocidades medias diarias determinamos las velocidades medias mensuales. Para la estimación de las varianzas mensuales para cada uno de los meses debemos emplear la siguiente expresión:  mens kk k k k k kk k nm n nm mAnm nB 21       Siendo:  AVV ndías diar mens ndías     1 2 1 Bndías diaris ndías   2 1 nK = ndías x 24 = nº de datos de la serie inicial (horas) mk = ndías = nº de datos de la serie inicial (días) Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-26 Posteriormente, otros autores han propuesto modelos de predicción basados en redes bayesianas (Carta et al,2011) y en redes neuronales (Velázquez et al,2011), los cuales tienen en cuenta la velocidad y dirección del viento de múltiples estaciones de referencia. 3.3.1. Estimación de velocidades medias periódicas. Método de los ratios. Se pretende determinar mediante la utilización de este método, las velocidades medias mensuales periódicas correspondientes a un intervalo de años para una estación determinada. Para ello debemos contar con los datos mensuales del período en estudio correspondientes a una estación de apoyo seleccionada. Partiremos, además, del conocimiento de las medias mensuales en un año base tanto de la estación de estudio como de la de apoyo. Sean las velocidades medias mensuales del período de la estación de apoyo: VV V VV V VV V AA AN AA A AA AN 11 12 1 21 22 23 121 122 12 ....... ....... . . . . . . . . . . . . .......                                   Mediante los valores anteriores podremos determinar las medias mensuales periódicas del intervalo. V VV AA A12 12,, ..........., Partiendo del conocimiento de las medias mensuales de las dos estaciones para un año base: VV V AA A12 12 , ,..............., VV V BB B12 12 , ,..............., Podremos calcular las medias periódicas de la estación en estudio B a partir de la relación. Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-27 V V V V iA iA iB iB  Debemos reseñar que el nivel de aproximación de los resultados dependerá del grado de correlación existente entre las dos estaciones, por lo que será necesario realizar un análisis previo con los datos reales disponibles. 3.4 Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica 3.4.1 Determinación de la energía producida por un aerogenerador La determinación de la energía eléctrica producida por un aerogenerador de curva potenciavelocidad P{v) inmerso en un determinado régimen de vientos puede llevarse a cabo mediante tres procedimientos diferentes (Carta et al, 2008c). 3.4.1.1. Método estático. La curva de probabilidad de velocidades de viento del lugar (que da la probabilidad de ocurrencia, o también, el porcentaje estimado de tiempo para cada intervalo de velocidad) se acopla (Figura. 3.27) con la curva de funcionamiento (que da la potencia suministrada para cada intervalo de velocidad, es decir, la potencia en función de la velocidad del viento, P=P{v)) de un aerogenerador, y se obtiene la curva de probabilidad de potencia, cuya integral (III.20) da como resultado la producción energética estimada para el periodo considerado. Figura. 3.16 Acoplamiento curva de potencia-distribución de densidad de probabilidad 󰇛󰇜󰇛󰇜   Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales III-28 En el caso de la distribución de Weibull de dos parámetros, la potencia medía vendrá dada por:  󰇛󰇜󰇡󰇢󰇡󰇢   Algunos autores utilizan curvas de potencia-velocidad idealizadas (Koeppl,1982; Lysen, 1983; Jones, 1986; Jones, 1988) con formas lineales, cuadráticas, cúbicas, incluso de más alta potencia o combinación de éstas. Sin embargo, ya que los fabricantes de aerogeneradores proporcionan de forma discretizada (en N puntos) la curva de potencia velocidad de sus máquinas es posible utilizarlas en la ecuación anterior si se realiza una aproximación. Dicha aproximación consiste en suponer lineal la variación entre dos puntos de la curva de potenciavelocidad. Se tendrá pues que dados dos puntos "i" e"i+l", la expresión de la potencia en este intervalo, en función de la velocidad, podrá ser escrita como: 󰇛󰇜 󰇛󰇜 Luego, si se utiliza como función de distribución la función de Weibull, la expresión de la potencia media podrá ser calculada de la siguiente forma: 󰇫 󰇡󰇢󰇡󰇢 󰇛󰇜  󰇬   Realizando operaciones y denominando:    󰇡󰇢󰇡󰇢    󰇡󰇢󰇡󰇢   Se obtiene como expresión final de la potencia media generada en el periodo considerado: 󰇛󰇜   La estimación de la energía producida se realiza mediante:   donde T es el periodo de tiempo considerado. Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Eólico III-29 La ventaja de este método es su simplicidad y que puede utilizarse para hacer una estimación global de la energía producida, así como para analizar su sensibilidad frente a diversos parámetros de interés, como por ejemplo, las velocidades características de funcionamiento del aerogenerador. La desventaja de este método es que ignora efectos no estacionarios, periodos de mantenimiento, etc. 3.4.1.2. Método cuasidinámico. Una serie temporal de valores de viento se compara con la curva de funcionamiento de un aerogenerador para obtener una serie temporal de la potencia eléctrica suministrada, a partir de la cual se puede determinar la potencia y energía media del periodo utilizando los n datos de viento ( Carta,2010). La ventaja de este método es que se puede proporcionar información acerca de los arranques y paradas experimentados por el aerogenerador. La desventaja radica en la nula información que aporta respecto al comportamiento en periodos transitorios. 3.4.1.3. Método dinámico. Utiliza una serie temporal de datos de viento como entrada a un modelo numérico de funcionamiento de la aeroturbina. De este modo pueden llevarse a cabo investigaciones sobre el efecto de diversas opciones o cambios en la estrategia de control de la aeroturbina (Carta,2010). Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IV-6 El tiempo solar verdadero se relaciona con el tiempo solar del lugar (TO) mediante la expresión: 15 12)( LHLL AOETTOhoras    donde: TO: tiempo oficial del lugar (horas). AO: adelanto oficial sobre el uso horario (horas). LL: longitud local (º) LH: Longitud del meridiano origen del uso horario correspondiente (º). Es positiva si está hacia el Oeste de Greenwich y negativa hacia el Este. ET: ecuación del tiempo. La ecuación del tiempo, en minutos, obedece a la siguiente expresión: Γ)*Γ*Γ*Γ**(ET 2sin089.42cos4615.1sin2077.3cos1868.00075.02918.2      siendo: 365 1 2)(   dh rad  (dh: día del año entre 1 y 365) 4.2.1.2.1.4 Cálculo de la componente difusa de la radiación sobre superficie horizontal Dh(0). La determinación de las componentes directa y difusa de la radiación global sobre superficies horizontales es importante en muchas áreas de la energía solar, especialmente en la estimación de la radiación sobre superficies inclinadas a partir de los valores de radiación horizontal. Esto se debe a que, en la mayoría de las estaciones meteorológicas, la única variable medida es la radiación global horizontal, y a que la trasposición de estos valores a superficies inclinadas exige trabajar con cada una de estas componentes por separado. Para realizar los cálculos con radiación solar se acostumbra a normalizar los datos de radiación en superficies terrestres respecto a la radiación extraterrestre. De este modo se obtiene una nueva variable indicativa de la transparencia de la atmósfera denominada índice de claridad Kt, definido en el caso de la radiación global como: )0( )0( Boh Gh Kt y en el caso de la radiación difusa, normalizada respecto de la global: )0( )0( Goh Dh Kd Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Fotovoltaico IV-7 Vamos a aplicar una fórmula de correlación estadística para predecir la fracción de radiación difusa respecto a la radiación global. Existe una gran variedad de correlaciones con un grado de predicción limitado, obtenidas siempre en base a las observaciones sobre un determinado lugar. Vamos a utilizar la fórmula de correlación horaria utilizada por Macagnan (1993): Kt < 0.2 Kd=0.996+0.0424Kt-0.586Kt 2 0.2 Kt <0.7 K d=1.11-0.203Kt-2.52Kt 2 +0.617Kt 3 +1.063Kt 4 0.7  Kt K d=-0.0169-0.99Kt+1.63Kt 2 Partiendo del conocimiento de Goh(0), obtenido de las estaciones meteorológicas, podemos obtener Kt, y con este valor obtener Kd con lo que conocemos Dh(0). 4.2.1.2.1.5 Cálculo de la componente directa de la radiación sobre superficie horizontal Bh(0). La componente directa de la radiación sobre superficie horizontal Bh(0) se obtiene restando de la radiación global Gh(0) el valor de la radiación difusa Dh(0). Bh(0)=Gh(0)-Dh(0) 4.2.1.2.2 Cálculo de las componentes de radiación global para superficies inclinadas. 4.2.1.2.2.1 Radiación directa sobre superficies inclinadas B(). La radiación directa sobre superficies inclinadas puede calcularse teniendo en cuenta que es igual a la radiación directa sobre superficie horizontal, multiplicada por el cociente entre las radiaciones extraterrestres sobre superficie inclinada y horizontal, esto puede expresarse como: zs BB    cos cos )0,(),(  4.2.1.2.2.2 Radiación difusa sobre superficies inclinadas D(). Existen dos tipos de modelos para la descripción de la radiación difusa sobre superficies inclinadas: los modelos no direccionales y los modelos direccionales. Los modelos no direccionales, empíricamente determinados a partir de medidas obtenidas con sensores planos, no dan ninguna información de la existencia de gradientes en el hemisferio del cielo. Los modelos direccionales se determinan también empíricamente a partir de medidas de la irradiancia en varias posiciones del cielo, obtenidas con instrumentos con un ángulo de visión reducido. Estos modelos son aplicables para valores horarios y para valores diarios. A continuación se dan las expresiones para estos modelos y valores horarios. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IV-8 4.2.1.2.2.3 Modelo de Liu y Jordan (1961) Es un modelo isotrópico que considera que la radiación difusa que emana del cielo está uniformemente distribuida, de forma que: )cos1)(0( 2 1 ),(   DD 4.2.1.2.2.4 Modelo de Temps y Coulson (1977)                      zss senDD    323 sincos1 2 1)cos1)(0( 2 1 ),( 4.2.1.2.2.5 Modelo de Klucher (1979)                      zss FFsenDD    323 sincos1 2 1)cos1)(0( 2 1 ),( 2 )0( )0( 1         G D F 4.2.1.2.2.6 Modelo de Hay y Davies (1978). Este modelo considera dos zonas en el cielo como fuentes de radiación difusa: una parte emitiendo isotrópicamente y otra, la parte circumsolar, emitiendo direccionalmente:                   )0( )0()0( 1)cos1( 2 1 cos cos )0( )0()0( )0(),( 00 B DG B DG DD zs s     4.2.1.2.2.7 Modelo de Pérez y Stewart (1984). Este modelo considera tres zonas del cielo como fuentes diferentes de radiación difusa (Figura 4.6): una región circumsolar, una banda horizontal y el resto del hemisferio celeste, abarcando cada región una cierta extensión angular. Figura 4.6 Zonas como fuente de radiación difusa Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Fotovoltaico IV-9 Las ecuaciones que permiten el cálculo de la irradiancia difusa por este modelo son:            senFFFDD zs s211 cos cos 1cos1 2 1 )0(),(      zs zs FFFF FFFF   2322212 1312111 n B mD 0 )0(  )0( )0( D BD    zs B B  cos )0(    1 6364,1 07995,9650572,0cos    zszs m  Los coeficientes F11,12,13,21,22,23 se pueden ver en la tabla 4.1: Intervalo  min max F11 F12 F13 F21 F22 F23 1 1,000 1.056 -0,042 0,550 -0,044 -0,120 0,138 -0,034 2 1.056 1,253 0,261 0,559 -0,243 -0,019 0,083 -0,081 3 1,253 1,586 0,481 0,460 -0,354 0,077 0,006 -0,116 4 1,586 2,134 0,825 0,187 -0,532 0,172 -0,050 -0,151 5 2,134 3,230 1,102 -0,229 -0,586 0,350 -0,398 -0,171 6 3,230 5,980 1,226 -0,451 -0,617 -0,444 -0,949 -0,073 7 5,980 10,080 1,367 -0,838 -0,655 0,431 -1,750 0,094 8 10,080 ----- 0,978 -0,812 -0,393 0,335 -2,160 0,186 Tabla 4.1:Coeficientes para el modelo de Pérez puntual. 4.2.1.2.2.8 Radiación de albedo R(). Cuando la superficie captadora forma un ángulo distinto de cero con la horizontal, es necesario incluir en el cálculo de la radiación incidente la radiación reflejada (o de albedo) por el entorno. Se puede utilizar la aproximación de que el suelo refleja isotrópicamente toda la radiación que recibe, debido a que la contribución de la irradiancia de albedo a la irradiancia global es generalmente baja. De este modo la irradiación de albedo se puede calcular mediante: )cos1)(0( 2 1 ),(   GR donde r es la reflectividad del suelo y en ausencia de información particularizada, se considera como 0,2. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IV-10 4.2.1.3 Radiación Global sobre superficies inclinadas G(). La radiación global incidente sobre una superficie inclinada (ver figura 2.2) en la superficie terrestre se puede calcular como la suma de tres componentes: la componente directa, la componente difusa y la componente reflejada: G()=B()+D()+R() A la radiación resultante es posible aplicar un factor de corrección para contemplar la pérdida de radiación solar debido al ángulo de incidencia sobre el módulo. Dicha pérdida tiene que ver con la reflexión de parte de la luz al atravesar el vidrio que cubre los módulos FV, la posible suciedad de los mismos y la disminución de la eficiencia en condiciones de baja irradiancia. Si esta corrección se lleva a cabo, la fórmula anterior sería sustituida por: G()=0,856*B()+FT(s)*D()+8,856*R() Donde: 432 194,00882,00663,01)( ssssT F   4.2.2 Modelado de la temperatura. Al contrario que los datos de irradiación medidos entre hora y hora, los datos disponibles de temperatura son diarios, consistentes en una temperatura máxima TaM y una mínima Tam. Existe un modelo sencillo que se ajusta bien a los valores experimentales; se obtiene observando que la temperatura a lo largo del día evoluciona de forma similar a la radiación global, pero con un retraso aproximado de dos horas. Este hecho permite establecer tres supuestos: 1. TaM ocurre siempre dos horas después del mediodía (=30º). 2. Tam ocurre siempre al amanecer (s) 3. Entre estos dos instantes, la temperatura ambiente evoluciona según dos semiciclos de dos funciones coseno. Una entre el amanecer y el mediodía y otra entre el mediodía y el amanecer del día siguiente. Un conjunto de ecuaciones, acorde con estos supuestos, que permite calcular la temperatura ambiente a lo largo de un día j, es el siguiente: Para       s s amaMaMa ab a ba jTjTjTT                     2 6 2 cos1 11 Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Fotovoltaico IV-11 Para       6 6 2 cos1      ab a ba jTjTjTT s amaMama                Para                            6 6 2 2 cos1 1       ab a ba jTjTjTT s amaMaMa 4.3 Modelado de los módulos fotovoltaicos. Es posible obtener la potencia de salida de un módulo fotovoltaico si se conoce la corriente y la intensidad de salida del mismo. Suponiendo que los diodos de protección de cada módulo fijasen la tensión de trabajo, sólo falta conocer la intensidad generada cada hora según los datos climáticos del momento (Carta,2010). La ecuación de un módulo fotovoltaico depende de numerosos factores intrínsecos del mismo. A su vez, algunos de estos factores se ven directamente influidos por la temperatura de las células fotovoltaicas que componen el módulo FV y por la radiación solar. Así, para calcular la potencia en cada hora es imprescindible conocer la irradiancia y temperatura en ese momento. La fórmula de cálculo de la intensidad es, por tanto, iterativa. Cuatro fórmulas están implicadas en la relación entre la irradiancia y otros factores necesarios para calcular la potencia de salida. Las tres primeras son: Isc(G)=C1G donde: C1=Isc(10OmW/cm2)/100 mW/cm2 Tc-Ta=C2G donde: C2=(TONC (ºC) -20)/80 mW/cm 2 Ta=Temperatura ambiente dVoc/dT=-2,3 mV/ºC La intensidad en cortocircuito (Isc) y la temperatura de operación nominal de la célula (TONC) serán proporcionados por el fabricante, mientras que Ta se proporcionará como dato desde un archivo. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IV-12 Las fórmulas anteriores ayudarán a obtener la potencia a la salida de un módulo fotovoltaico , a partir de la corriente generada a la salida del generador, IG, y la tensión nominal impuesta por la configuración de ese módulo, VG. La fórmula siguiente introduce ambos factores: Io=ISCG [1 -exp( (VG-VOCG ,+IGRSG,)NsVt donde: - ISCG es la corriente de saturación en cortocircuito del generador fotovoltaico. - V OCG es la tensión en circuito abierto del generador fotovoltaico. En principio, sería posible utilizar el valor nominal dado por fabricante. Sin embargo, más adelante se explica que este factor varía con la temperatura. - R SG= RsNs/Np, es la resistencia serie del generador fotovoltaico. El número de células serie y paralelo viene dado por el fabricante, no así con Rs, que es la resistencia serie de una sola célula solar. Rs no depende de las condiciones particulares de operación, facilitando así los cálculos. Ns y Np son, respectivamente, el número de células serie y paralelo del módulo fotovoltaico. Hay que tener en cuenta además, que ISCG, está implícito en la ecuación, por lo que se recurrirá a métodos iterativos en su fase de implementación. A continuación se describe la secuencia de cálculos para obtener la potencia de salida. 4.3.1 Cálculo de la corriente de saturación en cortocircuito ISCG. A partir de la irradiación horaria sobre superficie inclinada, es posible obtener la corriente de saturación de cortocircuito. Al tratarse de irradiación entre hora y hora, la densidad de potencia, es decir, la irradiancia en Vatios/m2 tiene un valor que se supone coincide con el valor de irradiación. 4.3.2 Cálculo de la tensión en circuito abierto VOCG. Es preciso conocer previamente la temperatura de operación de la célula, Tc. Su valor se utilizará en la ecuación, que expresa la desviación de la Voc nominal con la temperatura. La expresión de Vocr, es la ecuación de una recta (véase la figura xxx) dada por la derivada de la ecuación: dVoc/dT=-2,3 mV/ºC y uno de sus puntos, obtenido a partir de Voc en condiciones nominales a la temperatura de medida (dato ofrecido por fabricante): Voc=Voc(nominal) + dVoc/dTc * Tc Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Fotovoltaico IV-13 25ºC Te (ºC) Voc (mV) Voc (nominal) DVoc/dTc=-2,3 mV/ºC Figura 4.7 Tensión en circuito abierto 4.3.3 Cálculo de la resistencia serie RSG. La resistencia serie del generador fotovoltaico se obtiene mediante la expresión: P SS SG N NR R El proceso para definir el comportamiento de una célula fotovoltaica para obtener el valor de la resistencia serie de una célula (RS) es el siguiente: * Cálculo de Potencia máxima de la célula: PS mm mc NN P P Pmc es la potencia máxima de la célula en vatios. Pmm es la potencia máxima del módulo fotovoltaico en vatios. * Posteriormente se obtiene voc a partir de Vt voc es la tensión de circuito abierto normalizada cuyo valor es: voc-=Voc /Vt donde, Vt=mkT/e, siendo m el factor de idealidad (1m2), k es la constante de Boltzmann, T la temperatura nominal en grados KeIvin (293K), y e la carga del electrón. Suele ser unos 25mV aproximadamente. El paso previo para la obtención de la resistencia serie es el cálculo de la resistencia serie normalizada. El valor de dicha rs es: F Fo FF rs 1 donde: 1 )72,0ln(    oc ococ v vv FFo célulacélula scoc célula IV P FF max  La Voc y la Isc de las células se obtiene dividiendo el valor dado por fabricante por el número de células serie y paralelo, respectivamente. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IV-14 *Cálculo de la resistencia serie:          célula célula sc oc I V rsRs Sin embargo, este modelo de cálculo de Rs es válido sólo cuando voc>15 voltios y rs<0,40 . 4.3.4 Obtención de IG utilizando métodos iterativos. La ecuación:          tS SGGOCGG VN RIVV SCGG eII 1 será el eje central del método iterativo. Si VG se da como valor conocido, la IG es la incógnita. El método iterativo es muy sencillo porque consiste en un bucle que realiza operaciones sucesivas con dicha ecuación. En la figura 4.8 se muestra un ejemplo de cómo se va realizando esta aproximación sucesiva al valor real. V(V) I(A) Iteración N Aproximación al valor real Valor real Iteración Primera I=Isc Iteración Tercera I=(3/4)Isc Iteración Segunda I=Isc/2 Proceso de acercamiento al valor real Precisión Figura 4.8 Obtención de IG por métodos iterarivos La primera iteración ofrece un valor inicial de IG, el cual se utiliza en el segundo miembro de la ecuación. Según la IG resultante del primer miembro de la ecuación, se irá variando el valor de IG hasta conseguir la precisión deseada. Análisis y Simulación de la Energía Eléctrica de Origen Fotovoltaico IV-15 4.3.5 Obtención de la potencia de salida. La potencia de salida (en vatios) de los módulos fotovoltaicos se obtiene mediante: GG IVWP  )( 4.4 Modelado de las pérdidas del generador fotovoltaico. Se considera el generador fotovoltaico como el conjunto de todos los módulos fotovoltaicos asociados en serie y paralelo. Para hacer más real la potencia existente a la salida del generador fotovoltaico se aplican coeficientes de pérdidas porcentuales por interconexión, cableado y envejecimiento de módulos. Los dos primero tipos de pérdidas se producen por efecto Joule en los conductores existentes tanto entre células fotovoltaicas como entre módulos fotovoltaicos. Los valores típicos de pérdidas en esta aplicación son: - Cableado de módulos: 1% - Interconexión de módulos: 2% - Envejecimiento: 5% 4.5 Modelado del convertidor DC/AC. Al contrario que ocurre con el modelado climático y del módulo FV, el convertidor DC/AC carece de un modelado interno, ateniéndose a las características ofrecidas por fabricante. Estos convertidores suelen ofrecer la eficiencia de conversión a la salida del convertidor por lo que se aplica directamente este factor para obtener la potencia final en bornas a la salida del mismo. Sin embargo, existen otras características que son no menos importantes. Tal es el caso de la tensión de entrada en DC, que debe ser igual o menor a la tensión de salida que ofrecen los módulos fotovoltaicos. Al menos para aplicaciones fotovoltaicas domésticas, el mercado ofrece tensiones de continua de 12 y 24 V, tanto en módulos como en convertidores, asegurando la compatibilidad. La intensidad máxima que el convertidor es capaz de aceptar es otra característica que determinará el número máximo de módulos fotovoltaicos en paralelo que un convertidor puede soportar. Después de haber contrastado numerosos catálogos de productos fotovoltaicos, se puede observar cierta falta de unidad en cuanto a las características técnicas sobre los inversores que suelen ofrecerse en los distintos fabricantes. Por ejemplo, hay fabricantes que expresan la eficiencia como una curva en función de la potencia a la entrada del convertidor, mientras que otros fabricantes ofrecen como dato una eficiencia de conversión representativa para ciertas condiciones estándar; incluso se da el caso de fabricantes que no expresan la eficiencia. Ante tal situación, el modelado de sistemas fotovoltaicos se atendrá al criterio de que la eficiencia de conversión es el dato más importante porque expresa la pérdida de potencia Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-6 f) Nitratos Las altas concentraciones de nitratos pueden ser consideradas como indicadoras y aviso que debe ser tenido en cuenta para comprobar la presencia de bacterias peligrosas. En concentraciones superiores a los 45 ppm, son indeseables para usos domésticos. g) Hierro Contenidos de 0,5 ppm son normalmente perjudiciales, e incluso en algunos procesos industriales no se permiten concentraciones superiores a los 0,1 ppm. h) Sílice Aunque no contribuya a la dureza del agua, es una parte importante de las incrustaciones formadas por muchas aguas. Contenidos de 20 ppm son normales, aunque se puede llegar a las 100 ppm. Como la sílice es rechazada en un porcentaje superior al 99% por las membranas, se concentra en el rechazo y pueden producirse precipitaciones de silicatos de magnesio y calcio. No conviene superar en el rechazo concentraciones superiores a 150 ppm. i) Flúor Es uno de los componentes más problemáticos del agua en los procesos de desalación, ya que su rechazo por las membranas es elevado y la solubilidad de sus sales que se concentran en la salmuera muy baja, siendo los riesgos de precipitación altos. Se admiten contenidos máximos de flúor en el agua de 1,5 ppm. j) Boro El boro es un elemento no metálico cuya ingesta puede causar el envenenamiento, provocando síntomas como trastornos gastrointestinales, erupciones cutáneas, depresiones, infertilidad en el hombre, etc. La OMS recomienda un valor guía para este elemento de 0,5 ppm, aunque el actual Decreto 140/2003 de nuestro país eleva esa cantidad a 1 ppm. I IO ON NE ES S U US SO O H HU UM MA AN NO O U US SO O A AG GR RÍ ÍC CO OL LA A S So od di io o ( ( N Na a+ + ) ) 150 150 C Ca al lc ci io o ( ( C Ca a+ ++ + ) ) 50 -- M Ma ag gn ne es si io o ( ( M Mg g+ ++ + ) ) 60 -- C Cl lo or ro o ( ( C Cl l- -) ) 250 100/350 S Su ul lf fa at to os s ( ( S SO O4 4= = ) ) 250 1200 N Ni it tr ra at to os s ( ( N NO O3 3- - ) ) 45 -- H Hi ie er rr ro o ( ( F Fe e+ ++ + ) ) 0,5 -- S Sí íl li ic ce e ( ( S Si iO O2 2 ) ) 20 - 100 -- F Fl lú úo or r ( ( F F- - ) ) 1,5 -- B Bo or ro o ( ( B B+ +) ) 1 -- Tabla 5.2 Resumen con valores máximos admisibles de presencia de iones en agua para consumo humano y agrícola Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-7 5.2.5 Otros parámetros característicos del agua a) Temperatura La temperatura del agua varía bastante no sólo en función de la zona, sino también según se trate de aguas subterráneas o superficiales, aguas salobres, aguas de mar. La influencia de las temperaturas en el funcionamiento de las membranas es importante desde tres puntos de vista:  La solubilidad de determinadas sales aumenta con la temperatura y por tanto, a temperaturas más elevadas se reducen sus riesgos de precipitación.  La temperatura influye en la viscosidad del agua y en la dilatación de los materiales que constituyen las membranas.  La elevación de la temperatura favorece la actividad biológica de los microorganismos que ocasionan el ensuciamiento de las membranas. Además, la temperatura afecta a la presión osmótica como a la permeabilidad del agua a través de la membrana. Normalmente se acepta que el flujo de permeado se incrementa alrededor de 3% por cada grado ºC de incremento de temperatura. b) pH Desde el punto de vista de la desalación por membranas, ejerce dos tipos de acciones:  Influye en la solubilidad de los carbonatos y regula por tanto su precipitación.  Limita el empleo de las membranas de acetato de celulosa que a valores entre 5,5 y 6,5 para evitar hidrólisis del polímero. En poliamida, el rechazo aumenta al subir el pH hasta 8,0 y luego se estabiliza hasta10,5. c) Dureza Puede ser de dos formas:  Carbonatada, causada por los carbonatos de calcio y magnesio  No carbonatada, causada por los nitratos, cloruros y sulfatos de calcio y magnesio. Las aguas para consumo humano deben tener una dureza menor a los 60 ppm expresada en calcio, según el Real Decreto 140/2003. d) Turbidez La turbidez del agua consiste en la cantidad de partículas (que pueden ser orgánicas o inorgánicas) suspendidas, que dan la apariencia de nubes de polvo. La turbidez se caracteriza por la lenta deposición de estas partículas debido a su diminuto tamaño. No se puede correlacionar la turbidez del agua con los elementos presentes o su concentración, debido a que la absorción de luz es diferente entre materiales. Las unidades de turbidez representan la habilidad de la luz de atravesar el agua, independiente del nivel de contaminación. Actualmente se emplea el método nefelométrico, que mide la intensidad de la luz dispersada a 90 ºC del Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-8 rayo de luz incidente. Las unidades empleadas son las NTU. El actual reglamento sanitario establece un límite máximo de 1 NTU para agua de abastecimiento humano. e) Índice de densidad de sedimentos (SDI) El índice de ensuciamiento “SDI” ( Silt Density Index ) es un ensayo que estima la disminución del flujo a través de una membrana como efecto del ensuciamiento de la misma, a una presión constante de 30 psi. Un alto valor de SDI (>5), indica que en el agua a tratar están presentes altas concentraciones de sólidos en suspensión y coloides. El aparato para medir el SDI consiste en un regulador de presión y un portafiltros, en el cual se coloca un filtro de 0,45 micras de poro. A una presión de 30 psi se determina el tiempo que tarda en filtrarse 500 ml del agua en observación. Posteriormente se deja correr el agua a través del filtro durante 15 minutos, determinándose nuevamente el tiempo que ha tardado en filtrarse otros 500 ml del agua en estudio. El SDI se determina entonces como: Figura 5.2 Determinacion del S.D.I. Los fabricantes de membranas suelen establecer como prerrequisito, para que la garantía ofertada por la membrana tenga validez, que el agua a tratar tenga un SDI entre 3 y 5, como máximo, para membranas arrolladas en espiral. f) Normativa sobre la calidad del agua La Organización Mundial de la Salud (OMS) establece que la calidad de cualquier agua destinada a un consumo o abastecimiento humano no debe superar los 500 ppm. De cualquier forma, en España el agua para consumo humano deberá cumplir el Real Decreto 140/2003, de 7 de febrero, en donde se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano. T tt SDI )/(1 100 21   T = tiempo entre mediciones t1 = tiempo necesario para filtrar 500 ml de muestra, al inicio de la prueba t2 = tiempo necesario para filtrar 500 ml de muestra, al final de la prueba Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-9 5.2.6 Parámetros operativos en un sistema OI. Consideremos de nuevo el sistema anterior pero suponiendo que ejerciésemos en el compartimiento 2 una presión superior a la diferencia de presiones osmóticas, tal como muestra la figura 5.3. En tal caso podríamos comprobar que la difusión del agua ocurriría en sentido inverso y que el soluto seguiría sin poder atravesar la membrana. A este fenómeno se le conoce como ósmosis inversa. Figura 5.3: Esquema de principio de la ósmosis inversa. Desde el punto de vista industrial el proceso se desarrolla como muestra de forma simplificada la figura 5.4 Figura 5.4: Esquema del proceso industrial de la ósmosis inversa. Una bomba envía la alimentación hacia una membrana semipermeable manteniendo permanentemente una elevada presión en uno de sus lados, con lo que una parte del solvente y una cantidad muy pequeña de soluto atraviesan la membrana. Com p artimento 1 Com p artimento 2 Concentración C 1 Concentración C 2 A gua + soluto A gua + soluto Membrana semipermeable Presión aplicada P>π Alimentación Concentrado Permeado Compartimento de baja presión Bomba Válvula de regulación Qa, Ca Compartimiento de alta presión Pa, πa Pc, πc Qc, Cc Qp, Cp Pp, πp M Membrana semipermeable Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-10 Tanto la solución que atraviesa la membrana como la que es rechazada por ella evacuan en continuo de sus compartimientos. El concentrado presenta habitualmente una elevada concentración de sustancias disueltas, siendo baja la del producto o permeado. Una válvula de regulación situada en la tubería de rechazo controla el porcentaje de solución que es convertida en producto. Definiciones y Nomenclatura En el proceso de la ósmosis inversa los conceptos más importantes y sus nomenclaturas son: a) Alimentación: Es la solución que llega a las membranas de ósmosis inversa. La nomeclatura que se utiliza para esta solución es:  Caudal: Qf  Concentración: Cf  Presión hidráulica: Pf  Presión osmótica: πf Al compartimento que contiene esta solución se le llama de alta presión. A la cara de la membrana en contacto con este compartimento se le conoce con el nombre de lado de alta b) Producto o permeado: Es la solución que se obtiene al otro lado de la membrana, después de atravesarla. La nomenclatura utilizada es:  Caudal: Qp  Concentración: Cp  Presión hidráulica: Pp  Presión osmótica: πp Al compartimento que contiene esta solución se le denomina de baja presión y a la cara de la membrana en contacto con él, el lado de baja. c) Concentrado: Es la solución, más concentrada que la aportación que no puede atravesar la membrana. También se le suele llamar rechazo o salmuera de rechazo. La nomenclatura utilizada es: Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-11  Caudal: Qc  Concentración: Cc  Presión hidráulica: Pc  Presión osmótica: πc d) Coeficiente de permeabilidad: Es el volumen de solvente (agua) que atraviesa la membrana por unidad de superficie, unidad de tiempo y unidad de presión a temperatura y salinidad determinadas y constantes. Suele medirse en m3/m2·día·bar, o también en m/d·bar. Se representa por A. e) Factor de conversión: Es el cociente, expresado en tanto por ciento, entre el caudal de producto y el caudal de alimentación que llega a las membranas. También se le suele llamar coeficiente de recuperación. Se llama conversión al porcentaje de recuperación expresado en tanto por uno, se representa por y: f) Porcentaje de rechazo de sales: Es el cociente, expresado en tanto por ciento, entre la concentración de la alimentación menos la del producto y la concentración de la alimentación. Se representa por R. El rechazo en tanto por uno es: de donde se deduce que: 100 100 p f Q Caudal de permeado YCaudal deaportación Q   p f Q yQ  100 f P f CC RC   a p a Pa C C C CC r  1   ap CrC   1 Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-12 g) Porcentaje de paso de sales: Es el cociente, en tanto por ciento, entre la concentración de sales en el permeado y en la alimentación. Se representa por Ps. El paso de sales en tanto por uno es: Sustituyendo valores en la ecuación se obtendría: h) Factor de concentración: Es el número de veces que se concentran las sales en el rechazo de la ósmosis inversa. Su valor es igual al cociente entre las concentraciones de sales en el concentrado y en la alimentación. i) Relación entre los distintos Parámetros: Considerando constante la densidad de las distintas soluciones, se pueden establecer las siguientes relaciones: Conservación del solvente: Conservación del soluto: Partiendo de las ecuaciones anteriores y operando: 100 P f C PS C  f P sC C p s pr   1 fsp CpC   c C f C FC  cpf QQQ   ccppff CQCQCQ   pf QyQ    fc QyQ   1   fc C y yy C   1 11   y yy Fc   1 11 Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-13 5.2.7 Aplicaciones de la Ósmosis Inversa. La utilización habitual de la ósmosis inversa está en soluciones acuosas, en todas sus variantes. Así, pueden tratarse:  Aguas naturales salobres y de mar  Aguas residuales urbanas  Aguas industriales  Soluciones acuosas en la industria alimenticia Las aplicaciones son asimismo variadas:  Desalación de aguas para suministro público, para riego, etc..  Reutilización de aguas residuales depuradas  Extracción de agua ó concentración de zumos, etc Industria A plicación Alimenticia Deshidratación de productos Concentración de zumos Estabilización de mostos vinícolas Desalcoholización de cerveza Papelera Reciclado de aguas de lavado Recuperación de productos aprovechables Textil Tratamiento y renovación e los efluentes de tintes Metalúrgica Depuración de baños galvánicos Reciclado de baños de Cr(VI) Recuperación y purificación de agua Agua esterilizada Industria electrónica Desalinización Nuclear Concentración de productos de fisión Tabla 5.3 Aplicaciones industriales de la OI 5.3 Tecnología de las plantas de ósmosis inversa. 5.3.1 Membranas de Ósmosis Inversa 5.3.1.1 Introducción En general, se puede decir que una membrana sintética semipermeable es una barrera selectiva o interfase, que separa dos sistemas multicomponentes en fase líquida, limitando el transporte de algunas especies químicas presentes en una determinada dirección. La transferencia de cada componente puede tener lugar por difusión molecular o por flujo convectivo, inducidos por un gradiente de potencial electroquímico, que en el caso de la ósmosis inversa, está originado por diferencia de presión hidrostática entre las dos fases líquidas que están en contacto con la membrana. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-14 Las características más importantes que debe presentar una membrana de OI son: un alto grado de permeabilidad al agua y un alto nivel de rechazo de iones (selectividad), así como unas buenas condiciones de estabilidad frente a un amplio rango de pH, temperatura, agentes químicos y mecánicos. Específicamente, los materiales que componen la estructura de las membranas utilizadas en los procesos de ósmosis inversa, incluyen fundamentalmente 2 tipos: los que incluyen polímeros altamente ordenados, como el acetato de celulosa (AC) y los derivados de poliamidas aromáticas (PA). Desde el punto de vista de las configuraciones, las membranas de ósmosis inversa que se han desarrollado a lo largo de los últimos años, se han estructurado en cuanto a la configuración en torno a cuatro tipos:  Membranas de tipo plano  Membranas tubulares  Membranas de fibra hueca  Membranas de arrollamiento en espiral Hoy en día, cobran especial importancia las de arrollamiento en espiral y fibra hueca, dado que son las más utilizadas en las instalaciones. 5.3.1.2 Membranas de Acetato de Celulosa (AC). Estas membranas están hechas de una mezcla de diacetato y triacetato de celulosa. Se forman por la unión íntima de una capa fina activa de un polímero de AC en una disolución de acetona con determinados aditivos, sobre una base de poliéster. Tras el proceso de unión de ambas capas, las membranas se calientan en un baño de agua a una temperatura entre los 60 y 90 ºC. El rechazo de sales y el flujo de agua característicos de una membrana de este tipo se establece en el proceso de fabricación, mediante el control de la temperatura y la duración del proceso de calentamiento. Los mejores rendimientos se consiguen con presiones superiores a las 27 at. Esto les supone un campo de aplicación en la desalación de aguas con una alta salinidad. En la siguiente tabla se recogen las principales características de este tipo de membranas resumidas. V entajas Inconvenientes Alta permeabilidad Alta sensibilidad a la hidrólisis Elevado porcentaje de rechazo de sales Posibilidad de degradación Tolerancia al cloro libre Alto riesgo de disolución de la membrana Bajo costo Aumento del paso de sales con el tiempo Elevadas presiones de trabajo Tabla 5.4 Membranas de acetato de celulosa Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-15 5.3.1.3 Membranas compuestas de Poliamida (PA). Se trata de membranas fabricadas en 2 etapas las cuáles se forman con una capa de polisulfona, una capa muy esponjosa de poliéster no entretejido y una fina película semipermeable montada sobre el sustrato de polisulfona. Debido a su proceso de fabricación, estas membranas presentan unas características de altos flujos de agua y bajo paso de sales, mejorando sustancialmente a las de AC. No obstante este tipo de membranas son muy susceptibles de sufrir degradación por oxidación cuando entran en contacto con cloro libre. Superficialmente, las membranas de AC son más uniformes y presentan una menor carga eléctrica. Por este motivo, y dada su mejor tolerancia al cloro libre, éstas presentan un funcionamiento más estable que las de PA en aquellas aplicaciones en las que el agua de alimentación presentan un alto factor de ensuciamiento o “fouling” . Sin embargo, las membranas de PA resisten mucho mejor el ataque microbiano que las de AC. También presentan una vida media superior a las membranas de AC en base a su mayor resistencia mecánica, resistencia física y mejor tolerancia química. V entajas Inconvenientes Alto porcentaje de rechazo de sales Sensibilidad frente a los oxidantes Ausencia de hidrólisis Fácil ensuciamiento No biodegradabilidad Fácil aparición de desarrollos biológicos Alta estabilidad química Alto costo Paso de sales a lo largo del tiempo Presiones de trabajo reducidas Tabla 5.5 Membranas de poliamida aromática Los mejores rendimientos de estas membranas se consiguen con presiones que varían en el rango de las 10-20 at. La tabla 5.6 compara los dos tipos principales de membranas que se acaban de describir. Parámetro Celulósicas Poliamida Lineal Entrecruzada Permeabilidad Alta Baja Alta Rechazo de cloruros ( %) Baja presión 75 96 98 Media presión 95 – 97,5 96 98,2 Alta presión 99 99,4 99,4 Rechazo de nitratos ( % ) 85 88 - 94 98 Rechazo de sílice ( % ) 90 – 93 88 - 94 98 Presión de trabajo ( bar ) Baja presión 16 16 10 Media presión 30 30 20 Alta presión 60 – 70 70 – 84 60 – 70 Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-22 Las partículas retenidas por los cartuchos incrementan las pérdidas de carga del mismo, por lo que cuando se alcanza un valor determinado se procede a su sustitución, puesto que éstas no se desprenden fácilmente, como ocurre con otros filtros. c) Filtros precapa En situaciones de trabajo difíciles, como en tomas abiertas con peligro de contaminación por vertidos, es necesario reforzar la seguridad de filtración mediante la utilización de filtros de precapa. También como en el caso de los filtros de arena, existen filtros de precapa abiertos y cerrados. El principio de ambos es el mismo y consiste esencialmente en un elemento de filtración que actúa a modo de soporte, sobre el que se deposita una capa de material filtrante muy fino, lo más frecuente arena de diatomeas, carbón activo o materiales inertes. El agua antes de atravesar el elemento de filtración tiene que atravesar esa precapa. Sin embargo aunque el principio sea el mismo la aplicación y eliminación de la precapa requiere una técnica especial. Los filtros de precapa cerrados son similares a los de cartuchos y el elemento filtrante es el citado cartucho que puede tener una selectividad entre 5 y 10 micras. Los abiertos consisten en un depósito de forma rectangular sobre el que se colocan una serie de elementos filtrantes, también de esta forma que quedan suspendidos en un bastidor. El agua filtrada de las distintas láminas se recoge en un colector que se conecta a la aspiración de una bomba. Por tanto en lugar de impulsarse en agua a presión sobre los elementos filtrantes, se aspira el agua a través de dichos elementos. d) Microfiltración Los equipos de microfiltración realizan una separación de partículas de hasta 0,1 micras. Las membranas que realizan esta separación están constituidas por un haz de fibras huecas de 2 mm de diámetro. El agua pasa a través de las paredes sobre la que se depositan las partículas, y el alma central de la fibra constituye el colector o canal de recogida del agua producto. La acumulación de la suciedad del agua durante el funcionamiento origina la obstrucción de las fibras. Esta obstrucción deja al equipo fuera de servicio mientras se realiza su limpieza con agua y aire a contracorriente. Lo cual exige la existencia de un depósito regulador intermedio entre el equipo de microfiltración y equipo de desalación, pues su elevado coste impide disponer de un equipo de reserva que permita el funcionamiento en continuo. Aún en su forma más simple es un sistema enormemente caro que sólo en casos especiales como determinadas instalaciones de uso industrial, y menos frecuentemente en reutilización de aguas residuales justifican su instalación. El pequeño tamaño de los poros de estas membranas les permite además la retención de bacterias y buena parte de los virus. Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-23 e) Ultrafiltración En este caso las membranas suelen ser de arrollamiento en espiral y se colocan dentro de un tubo de presión, generalmente en número no superior a tres. La separación se realiza a causa del tamaño del poro, siendo la selectividad de 0,01 micras. Comercialmente se están desarrollando nuevas configuraciones para los módulos de ultrafiltración como lo son los de membrana almohadillada, compuesta por una placa, unos espaciadores a ambos lados de la placa para la circulación de permeado, y las membranas que envuelven la misma. La soldadura por ultrasonido garantiza la hermeticidad absoluta de estas membranas. Las membranas se apilan alternándose con los espaciadores de goma y el conjunto se soporta en las dos secciones de una carcasa cilíndrica. El permeado se evacua a través de dos tubos de drenaje situados en el centro de la pila de membranas, que se conectan con los colectores integrados en la carcasa interior, que a su vez conducen el permeado al exterior del módulo. Al igual que en el caso anterior sólo condiciones muy especiales justifican su uso. 5.3.2.3 Pretratamientos Químicos. La composición química o la actividad biológica que se desarrolla en el agua, puede crear problemas a las membranas que hay que evitarlos. Para ello se necesita someter el agua a un pretratamiento químico. Estos pretratamientos se utilizan para controlas fenómenos de contaminación del agua y procesos químicos que afectan a las membranas. a) Incrustaciones – Inhibidores El primer método para prevenir en OI el ensuciamiento por incrustaciones es la disminución de la potencial capacidad de precipitación de aquellas sales que puedan provocarlo con un aumento de la temperatura. Estas sales son principalmente el sulfato cálcico, sulfato bárico, sulfato estróncico y los bicarbonatos de calcio. La inhibición se realiza mediante la dosificación de productos químicos que se agregan al agua que se va a tratar en cantidades muy pequeñas, consiguiendo aumentar la solubilidad de los distintos iones en el agua. El control de la precipitación de estas sales se evita con la adición de ácido. El más económico es el ácido sulfúrico. Sin embargo hay que tener en cuenta que la adición de este ácido provoca un incremento en el contenido de sulfatos del agua inicial. Otra forma de evitar la precipitación de los carbonatos, sulfatos, sílice es mediante la adición de un inhibidor llamado también dispersante, polímero o antiincrustante. Este tipo de sustancias actúa sobre la formación de los cristales, impidiendo su formación y manteniendo en sobresaturación en el agua los iones. Este método es el mayoritariamente utilizado bien sea individualmente o conjuntamente con el anterior. Con ellos se puede por tanto aumentar la recuperación de la instalación y en consecuencia abaratar tanto la inversión en equipos como en gastos de funcionamiento. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-24 Las dosificaciones óptimas son muy pequeñas en relación con las concentraciones de los cationes susceptibles de precipitación. En las instalaciones de agua de mar no son tan necesarios dado que se opera con conversiones normalmente inferiores al 50%. Entre los tratamientos más usuales tenemos:  Fosfato coordinado: se utilizan mezclas proporcionadas de fosfato trisódico, disódico, metafosfato sódico o ácido fosfórico en calderas de alta presión y alta velocidad de transferencia de calor.  Quelantes: se utilizan los ácidos etilendiamintetraacérico (EDTA) y nitrilotriacético (NTA) cuya estabilidad depende de la temperatura, el pH, la presencia de gases oxidantes, las sales presentes, el tiempo de residencia y las puntas térmicas.  Dispersantes: productos orgánicos que incluyen taninos, ligninas y almidones y otros tipos que evitan la formación de grandes precipitados cristalinos. Para calcular los límites de utilización de estos productos se debe consultar con los fabricantes de los mismos, los cuáles nos indicarán en cada caso hasta donde garantizan, la concentración que se puede alcanzar y la temperatura, pues pueden hidrolizar y dejar de ser activos. b) Materia en suspensión Con el fin de evitar la materia suspendida y no disuelta en el agua, se procede a una filtración de esta materia. Para ello se emplean los filtros de arena y filtros de cartucho. No obstante, a veces es preciso utilizar antes un floculante que aglomere y flocule los coloides presentes y las partículas en suspensión. También a veces hay presencia de iones férricos y de metales pesados. Éstos precipitan con bastante facilidad en forma de hidróxidos, por lo que en el caso de que estén presentes hay que eliminarlos previamente por precipitación química. Los productos químicos más utilizados como agentes precipitantes son:  Sulfato de aluminio: reacciona con el agua en medio débilmente ácido, neutro o débilmente alcalino, produciendo hidróxido de aluminio insoluble, floculo gelatinoso que, al sedimentar lentamente, arrastra consigo a las partículas en suspensión  Sulfato ferroso: se utiliza como coagulante debido a la formación de un hidróxido férrico ( Fe(OH)3 ) insoluble que forma un floculo gelatinoso y voluminoso de color rojo pardo, con acción coagulante similar a la del hidróxido de aluminio.  Sales férricas: se utilizan los cloruros y los sulfatos. Desde valores de pH próximos a 2 hasta los de fuerte alcalinidad, el ión férrico precipita como hidróxido férrico insoluble, disminuyendo el pH del medio por lo que se puede hacer necesario añadir hidróxido sódico. Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-25  Hidróxido cálcico: con su adición se sube el pH del agua hasta valores próximos a 12 de manera que su acción coagulante provenga de la formación de un precipitado de carbonato cálcico que flocula y decanta. Posteriormente se disminuirá el pH del agua mediante la adición de un ácido. c) Ajuste de pH El agua que se va a desalar tiene generalmente un pH elevado, sobre el valor de 8 en el caso del agua de mar. En estas condiciones el funcionamiento de la membrana no es el óptimo. La acidificación del agua de alimentación se emplea con dos objetivos:  Colocar el agua a un pH óptimo para la membrana  Prevenir la precipitación del carbonato cálcico, el cuál se forma por descomposición del bicarbonato cálcico. Se usa por lo común el ácido sulfúrico, que elimina la alcalinidad del bicarbonato y previene la precipitación del carbonato. Pero además se incrementa la concentración del ión sulfato y la tendencia a la formación de precipitados de sulfato cálcico. Para evitar esto, se le agrega al agua aditivos antiincrustantes ya citados anteriormente. En el caso de utilizar membranas de acetato de celulosa, que son fácilmente degradables, el ácido sulfúrico previene su hidrólisis a celulosa y ácido acético, que se produce rápidamente cuando se salen del estrecho margen de pH (5-6) a que pueden trabajar. d) Control microbiológico - desinfección Cuando hablamos de captaciones abiertas de agua de mar e incluso en ocasiones en pozos costeros es frecuente la presencia de materia orgánica, y en consecuencia una gran actividad biológica que antes o después afectará a las membranas, produciendo un ensuciamiento biológico en la superficie de la misma que se conoce con el nombre de biofouling. La eliminación total de la materia orgánica resulta empresa bastante difícil, por lo que se sustituye por procesos alternativos en los que se añaden aditivos desinfectantes conocidos como biocidas de manera que se trate de evitar en el agua unas condiciones favorables para la proliferación de bacterias. El biocida más importante es el cloro, pero también se utiliza el dióxido de cloro, el hipoclorito sódico, hipoclorito cálcico, ozono o rayos ultravioletas. También es posible usar biocidas no oxidantes como los fenoles clorados y compuestos organosulfurados, sales de amonio y la acroleína. Otra forma de evitar su crecimiento aunque no su existencia, es la adición de los biostáticos, que son sustancias que sin atacar a la materia viva, impiden que sigan creciendo. Una de estas sustancias es el bisulfito sódico, el cuál actúa como reductor secuestrando oxígeno presente en el agua y haciendo imposible la vida para los seres aerobios. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-26 En el caso de haber utilizado alguna forma de cloro para la desinfección del agua y dado que las membranas son muy sensibles al mismo, hay que evitar que llegue a éstas. Para ello se emplea también el bisulfito sódico, pero esta vez no como agente bioestático sino como reductor, ya que ataca al cloro residual eliminándolo. En cuanto a la desinfección con ozono no depende del pH y se emplea en los casos de desinfección bacteriana y destrucción de virus. Pero además sus aplicaciones alcanzan más allá de la desinfección: mejora las características de decantación, elimina los sabores y olores del agua, elimina algas, sulfuros, cianuros… Las radiaciones ultravioletas tienen poder bactericida y virucida y no contribuyen a la formación de subproductos. La principal ventaja de este método está en que no se necesitan productos químicos. Sin embargo el principal defecto está en que carece de acción desinfectante residual, siendo el agua tratada susceptible de volver a contaminarse. Su coste es por lo demás elevado, muy superior a los procedimientos químicos, por lo que no siempre se justifica su uso. El ensuciamiento de las membranas obligará a detener la producción y realizar una adecuada limpieza de las mismas, hasta reestablecer en la medida de lo posible las condiciones de permeación y rechazo originales. El consumo energético específico aumenta como consecuencia de detener la producción para realizar el lavado de las membranas en donde también se consumen productos químicos para llevar a cabo esta operación de mantenimiento. Una posible consecuencia de todo esto, es que debido a la agresividad de los productos químicos utilizados durante la limpieza, la vida operativa de la membrana se reduzca. En general, hace falta un buen conocimiento de la composición del agua que se va a utilizar, con el fin de prever todos los tratamientos que son precisos y diseñar correctamente la planta de desalación. Por consiguiente, toda estrategia que conduzca a disminuir el ensuciamiento de las membranas generará beneficios económicos en el rendimiento de la instalación de RO. 5.3.2.4 Factores a tener en cuenta en el diseño del pretratamiento de aguas para OI. Junto a los parámetros vistos anteriormente, a la hora de diseñar un pretratamiento para el agua de alimentación, que salvaguarde a las membranas de un ensuciamiento prematuro, se han de estudiar una serie de índices de carácter predictivo para el riesgo del ensuciamiento o “fouling” y de la deposición de sales o “scaling”. Por tanto, estos índices serán claves para el diseño de un pretratamiento que reduzca al máximo los problemas de ensuciamiento de las membranas y las mantenga operativas, con los valores de producción de diseño durante el máximo tiempo posible. a) Índice de saturación de Langelier (LSI) El fenómeno de precipitación cristalina sobre las membranas, es lo que se ha denominado “scaling”. La deposición en la membrana de un sistema de OI, puede ocurrir cuando se concentran las sales cerca de la superficie del elemento a niveles superiores a sus límites de Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-27 solubilidad. Esto es muy factible de ocurrir por el hecho de que las concentraciones aumentan en el agua de rechazo, especialmente cerca de la superficie del elemento. Entre las sales más comunes que pueden causar esto, se encuentran el CaSO4, CaCO3, CaF2, BaSO4, SrSO4 y el sílice. Este índice se puede definir como la diferencia entre el pH actual del agua y el pH en el que se produce el equilibrio entre el CaCO3 disuelto y el CaCO3 precipitado, para un agua de composición determinada (TDS conocido) y presión de CO2 constante. El índice de saturación de Langlier (LSI, por sus siglas en inglés) es muy utilizado en el diseño de sistemas OI para expresar el potencial de deposición del carbonato de calcio. Su valor dependerá de las siguientes características del agua de alimentación:  Concentración de carbonato de calcio  Total de Sólidos Disueltos (TDS)  Alcalinidad  pH  Temperatura y recuperación. Se aplica a las aguas que se consideran dulces y salobres (hasta 5000 ppm). b) Índice de saturación de Stiff y Davis (S + DSI) Se trata de otro índice para determinar el scaling potencial por CaCO3 de un determinado tipo de agua y se utiliza para las aguas salinas y marinas (>5.000 ppm). Se determina de manera similar al anterior con alguna pequeña variación. 5.3.3 Post-Tratamiento. 5.3.3.1 Introducción El agua osmotizada obtenida en el proceso OI debe ser sometida a un proceso de remineralización y ajuste de pH. Además, si esta agua va a ser almacenada en algún depósito, debe someterse también a un proceso de cloración, puesto que existe el riesgo de que pueda contaminarse biológicamente. Este postratamiento deberá aportar calcio para reducir el alto índice de peligrosidad de sodio que pudiera tener el agua tratada. Se conseguirá además, aumentar el contenido de este ion y la alcalinidad del agua, reduciendo así el poder de corrosión. Los procesos principales a los que se somete el agua desalada son el ajuste de pH y la postcloración. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-28 5.3.3.2 Ajuste de pH. El agua desalada tiene un pH bajo (5,5), siendo de baja calidad y pobre en calcio debido al elevado rechazo de estos iones por las mismas. Es por tanto un agua desequilibrada. Su baja alcalinidad y la presencia de CO2 la hacen corrosiva, pudiendo disolver los precipitados de las tuberías e incluso incumplir algunos aspectos de la normativa técnico-sanitaria. El CO2 se forma por la reacción del sulfúrico con los bicarbonatos y pasa fácilmente a través de la membrana, acumulándose en el permeado. Para estabilizar esta agua hay que llevar estos parámetros a su equilibrio de saturación de CaCO3. También en ocasiones suele contener SH2 (sulfuro de hidrógeno), especialmente cuando se tratan aguas subterráneas. Por tanto hay que estabilizarla con respecto al CaCO3 llevando el pH a 6,5-8 y posteriormente debe desinfectarse si se va a dedicar al abasto. La estabilización se puede conseguir por tres procedimientos distintos: 5.3.3.3 Descarbonatación o desgasificación. Se realiza mediante una torre en la que el agua entra por la parte superior mediante unos difusores y percola a través de un material. Simultáneamente, se inyecta una corriente de gas distinto del que se pretende separar, a contracorriente que generalmente se trata de aire. De esta forma se reduce el contenido de CO2 y el pH queda en 6-6,5. También se pueden emplear torres de enfriamiento, difusión de aire, desgasificación por spray o desaireadores de vacío. a) Adición de productos químicos Generalmente se emplea la cal (CaCO3), sosa caústica (NaOH) o soda ash (Na2CO3). El más adecuado es la dosificación de carbonato cálcico. La remineralización con este carbonato debe hacerse preferiblemente a la salida de los bastidores para aprovechar el CO2 libre del agua recién osmotizada. Una excesiva dosificación de carbonato cálcico podría producir su precipitación. Con los dos últimos productos, aunque el pH se estabiliza, la ausencia de calcio no garantiza que el agua no sea corrosiva, por lo que debe agregarse un inhibidor de la corrosión que proteja los materiales. b) Mezcla con otras aguas En este caso el agua desalada debe suponer al menos el 10% de la mezcla. El postratamiento más adecuado es la dosificación de carbonato cálcico. La remineralización con carbonato cálcico debe hacerse preferiblemente a la salida de los bastidores para aprovechar el CO2 libre del agua recién osmotizada. La excesiva dosificación de carbonato cálcico puede producir su precipitación e incrustaciones. Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-29 La dosificación sólo con hidróxido cálcico es menos eficaz y produce rápidamente la sobresaturación y precipitación en forma de carbonato cálcico. 5.3.3.4 Postcloración. Con el agua que se va a desalar ha sido desprovista de sus características oxidantes mediante la dosificación de bisulfito sódico, en el producto no existe cloro residual. Normalmente, antes de su uso final, el agua suele almacenarse en algún depósito, existiendo el riesgo de que vuelva a contaminarse. Por ello, si el agua se va a dedicar a abastecimientos urbanos, es necesario volverla a clorar para cumplir la normativa sanitaria en cuanto a presencia de cloro residual en la red. Los tres procedimientos de cloración más empleados en esta fase son: a) Gas cloro: Muy extendido en los abastecimientos, por su menor coste, cuando se trata de grandes caudales. b) Hipoclorito sódico: Es el procedimiento más barato tanto de implantación como de funcionamiento c) Hipoclorito cálcico: Tiene la ventaja de aportar calcio, que sirve para elevar el contenido de este elemento en el agua producto. En ocasiones se puede intentar la carbonatación y cloración de una sola vez con la dosificación de cloruro cálcico. Este procedimiento se usa cuando el depósito principal de almacenamiento está alejado de la instalación desaladora y no dispone de personal, con lo que desde la propia planta se pueden realizar ambos post-tratamientos. La dosificación es más cara y menos precisa, sobre todo teniendo en cuenta que el agua puede estar almacenada en el depósito final períodos de tiempo relativamente largos. 5.3.4 Bomba de Alta Presión 5.3.4.1 Introducción Las bombas de alta presión que se utilizan en el campo de la desalación, son el corazón de la planta de ósmosis inversa ya que impulsan la solución a tratar hacia las membranas a la presión requeridas por ésta. Es aquí donde se consume la mayor parte de la energía del proceso, por lo que la decisión del tipo de bomba a instalar tiene una gran importancia. A la hora de seleccionar las bombas hay que tener en cuenta distintos parámetros como su rendimiento, la inversión necesaria, el mantenimiento requerido, la disponibilidad, los niveles de ruido, las vibraciones, etc. En el proceso de ósmosis inversa se utilizan generalmente dos tipos de bombas (Fariñas, 1999; Medina,1999, Kucera,2010): Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales V-30  Centrífugas  Alternativas o de desplazamiento positivo La evaluación de los requisitos hidráulicos del sistema de bombeo de la instalación junto con el conocimiento del comportamiento y las características de funcionamiento de diferentes tipos de bombas permitirán realizar una selección adecuada de la bomba a instalar. Por otro lado, con el creciente interés en el consumo de energía, se necesita un examen cuidadoso de cada situación para encontrar la bomba más eficiente. Dado que la planta OI que se quiere diseñar depende energéticamente de una fuente alternativa, el funcionamiento de la bomba de alta presión estará fluctuando en función de las disposiciones energéticas que se tengan. Por lo tanto, no siempre la bomba va actuar en condiciones de máxima eficiencia. Figura 5.6 Campos de aplicación de los distintos tipos de bombas 5.3.4.2 Tipos de bombas a) Bombas Centrífugas Una bomba centrífuga en su concepción más simple consiste en un impulsor con álabes, llamado rodete, que gira en el interior de una carcasa accionado desde el exterior mediante un eje. Figura 5.7 Bomba centrífuga Carcasa C Eje A Tubo de descarga Impulsor B Análisis y Simulación de Sistemas de desalinización de agua de mar por Osmosis Inversa V-31 La energía de una fuente exterior aplicada al eje A, hace girar el impulsor B dentro de una carcasa estacionaria C. Los álabes del impulsor en rotación producen un descenso de la presión en la entrada de los mismos, lo que origina que el fluido se mueva hacia ellos desde la tubería de aspiración. El fluido, debido a la rotación del impulsor, es enviado hacia el exterior de los álabes aumentando su velocidad tangencial. La velocidad adquirida por el fluido cuando abandona los álabes, se transforma en presión cuando pasa al difusor saliendo al exterior a través del tubo de descarga E. Por otro lado, cumplen con la ecuación de Euler, lo que implica que dependen de la densidad ρ del fluido y por lo tanto no son autocebantes. Otras características relevantes de las bombas centrífugas son las siguientes:  Se adaptan mejor a pequeñas P y grandes Q  Su rendimiento η% es inferior al de otras bombas  Tienen mayor fiabilidad  Necesitan poco mantenimiento  Se suele utilizar con ellas una válvula reguladora en la línea de descarga para controlar la Palim (presión de alimentación) a los módulos de OI  Su potencia específica ( potencia por unidad de superficie o volumen ) es mayor  Carecen de fuerzas de inercia descompensantes y tienen un acoplamiento directo a los motores eléctricos de un número elevado de revoluciones b) Bombas de desplazamiento positivo Su funcionamiento se basa en el principio de desplazamiento positivo, es decir, recibe un volumen fijo de líquido en condiciones casi de succión, lo comprime a la presión de descarga y lo expulsa por la boca de descarga. Es imprescindible instalar una válvula de seguridad en la descarga para proteger la instalación frente a cualquier sobrepresión accidental. Asimismo, pueden llevar también una válvula de aspiración. Las características más importantes que definen a este tipo de bombas serían:  Se adaptan mejor a elevadas P y pequeños Q.  Tienen mejor rendimiento η% que las centrífugas.  Son bombas más delicadas y necesitan una mayor vigilancia y mantenimiento en parte debido a las vibraciones a las que se ven sometidas en su funcionamiento. Debido a esto se recomienda la utilización de un amortiguador.  Tienen un bajo consumo específico de energía. El consumo de las bombas de pistón es inferior al de las centrífugas, aunque por razones técnicas el uso de las primeras sólo es factible en plantas de OI de baja capacidad productiva. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-14 Se calcula constante de permeabilidad modificada para el agua 0 0 0.09 7.1 273 0 () () () () TT fm T nf Ci Ai A i e Ci             [VIII.55] Se calcula constante de permeabilidad modificada para las sales   0 0.09 0.0298 0 () () () () TT fm nf Ci Bi B i e Ci         [VIII.56] Se calcula el caudal de permeado           )()()( 2 )( )()()( iiiP iP iPFFTCFSiAiQ pfcpm fcm fmpm  [VIII.57] Se calcula la concentración de permeado () () () () () () fcm m pm pm CiFPi CiBiSiTCF Qi   [VIII.58] Se almacena los valores actuales de Ym(i) y err_Ym Ym_antes = Ym(i) err_Ym_antes = err_Ym Se calcula el nuevo valor de Ym(i) () () () pm mfm Qi Yi Qi  [VIII.59] Se calcula el error () _ _ 100 () m m Y i Ym antes err Ym Yi   [VIII.60] Se fija el nuevo valor para iterar () _ () 2 m mY i Ym antes Yi   [VIII.61] Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-15 Si el error es mayor o igual que en la iteración anterior se trunca el proceso iterativo: () _ ___ _0 m Y i Ym antes err Ym err Ym antes err Ym      Se regresa al paso 0 Se calcula la presión en el concentrado. Para ello, con el valor definitivo de se calcula con el valor definitivo de Ym(i), se calcula nuevamente Qcm(i) mediante la ecuación [VIII.49], este valor se introduce en la ecuación [VIII.50] para obtener Qfcm(i), y éste, a su vez, en la ecuación [VIII.51] para determinar ΔPfcm(i). De esta manera, se puede calcular la presión en el concentrado restando esta caída de presión a la presión de alimentación: () () () cm fm fcm Pi Pi P i   [VIII.62] Se comprueba si los resultados de las variables calculadas han superado alguno de los límites de operación recomendados por el fabricante de la membrana i. Estos limites están implementados en la función ‘limites’ cuyos resultados se almacenan en el vector ‘vlim_tubo’. Se almacenas las variables de las membranas: Pfm, Ppm, Pcm, Qfm, Qpm, Qcm, Ym, Cfm, Cpm, Ccm. 8.3.2 Conocidos el Caudal de Entrada y la Conversión. Consideraciones previas: Se introducen los datos necesarios para el cálculo: Parámetros del agua de alimentación: T, TDS_PPM Parámetros de diseño: fabricantes, membranas, N, FF, Qf o Qp, Y, Pp. Se genera una matriz MEM(N,17) con las características de todas las membranas del tubo. Si Qp es dato: Qf = Qp/Y Si Qf es dato: Qp = Qf · Y El procedimiento de cálculo está implementado en la función ‘CAL_TUBO_Y’: Figura 8.4: Esquema de la función ‘CAL_TUBO_Y’. DATOS: Agua de alimentación: T, TDS_PPM. Diseño: fabricantes, membranas, N, FF, Qf o Qp, Y. RESULTADOS: Variables de las membranas: Pfm, Ppm, Pcm, Qfm, Qpm, Qcm, Ym, Cfm, Cpm, Ccm Variables del sistema: CAL_TUBO_Y Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-16 Se fijan las hipótesis de partida para iterar. Se considerará como valor inicial de la presión, la presión de ensayo de la membrana 1 del tubo: Pf = Pf0 = MEM(1,2) errY=100 errY_antes=100 Se comprueba la condición para iterar: Si errY>0.5 continuamos con el paso 0 En caso contrario salimos del proceso iterativo, paso 0 Se almacena el valor de iteración de Pf en Pf_antes: Pf_antes = Pf Se introducen los datos en la función ‘CAL_TUBO’ para calcular las variables de las membranas, incluida la conversión. Se calcula la conversión del sistema, Y2, para los valores de la iteración:  21 11() n m YYi  [VIII.63] Se almacena el valor del error anterior en errY_antes errY_antes=errY Se calcula el nuevo error: 2100 YY errY Y   [VIII.64] Se establece el valor de Pf para la siguiente iteración en función del valor de la conversión del sistema calculada: Si Y2<Y Pf = Pf + 1 Si Y2>Y Pf = Pf – 1 En otro caso Pf = Pf Si el error es mayor o igual que en la iteración anterior truncamos el proceso iterativo: () _ _0 f P i Pf antes errY errY antes errY      Se regresa al paso 0 Se almacenan las variables: De las membranas: Pfm, Ppm, Pcm, Qfm, Qpm, Qcm, Ym, Cfm, Cpm, Ccm. Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-17 Del sistema: Pf, Qf o Qp, Y. 8.3.3 Cálculo del Rango de Operación del Sistema. Consideraciones previas: Se introducen los datos necesarios para el cálculo: Parámetros del agua de alimentación: T, TDS_PPM Parámetros de diseño: fabricantes, membranas, N, FF, Pp. Se genera una matriz MEM(N,17) con las características de todas las membranas del tubo. Se introducen los datos del motor: ηmotor (%) Se introducen los datos de la bomba: ηbomba (%) Límites de operación: lim_bomba, Pb_min, Pb_max, Qb_min, Qb_max Se introduce el sistema de recuperación: Ninguno: ninguno Turbina: turbina Intercambiador de presión: int_presion, booster, mixing, Qr_min, Qr_max Se introduce la concentración de sales en el permeado máxima: Cp_max Se introducen límites especiales para las membranas: lim_mem, Pf_min, Pf_max, Qf_min, Qf_max, Qp_min, Qp_max, Qc_min, Qc_max. Se cuantifican las perdidas a la entrada y al salidad del tubo: perd_ent, perd_sal. Se eligen los valores más restrictivos para los limites de caudal y presión de alimentación: P_min, P_max, Q_min y Q_max. Se introducen los intervalos de los vectores de barrido de presión y caudal. El procedimiento de cálculo está implementado en la función ‘CAL_RANGO’: Figura 8.5: Esquema de la función ‘CAL_RANGO’. DATOS: Agua de alimentación: T, TDS_PPM. Diseño: fabricantes, membranas, N, FF. Límites: Q_min, Q_max, P_min, P_max, int_P, int_Q, Cp_max Pérdidas: perd_ent, perd_sal RESULTADOS: Variables del sistema: Pag, Pfg, Ppg, Pcg, Psg, Yg, Qfgu, Qpgu, Qcgu, Cfg, Cpg, Ccg, potenciag, pot_rec, pot_bomba, pot_motor, energiag, Qfg_min, Qfg_max, Qpg_min, Qpg_max, Qcg_min, Qcg_max, Cfg_min, Cfg_max, Cpg_min, Cpg_max, Ccg_min, Ccg_max, Pag_min, Pag_max, Pfg_min, Pfg_max, Ppg_min, Ppg_max, Pcg_min, Pcg_max, Psg_min, Psg_max, Yg_min, Yg_max, potenciag_min, potenciag_max, pot_rec_min, pot_rec_max, CAL_RANGO Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-18 Se cambian las unidades del usuario de presión y caudal de los límites establecidos a las unidades de cálculo. Se introducen los límites del rango de operación característicos del sistema: El sistema necesitará una presión de entrada suficiente para vencer como mínimo la presión osmótica del agua de alimentación: Pminc = POSMf1 La presión de entrada nunca podrá ser mayor que la menor presión máxima que soportan las membranas del tubo: Pmaxc = min(MEM(:,14)) El caudal de alimentación no podrá ser inferior al caudal de concentrado mínimo de la última membrana del tubo. Qminc=MEM(N,12) El caudal de alimentación tendrá que ser inferior que el maximo que soporta la primera membrana del tubo: Qmaxc=MEM(1,13) Se eligen los límites más restrictivos entre los fijados por el usuario y los característicos del sistema: Pmin, Pmax, Qmin, Qmax. Para definir el rango de variación de presión y caudal de alimentación y, por consiguiente, los vectores de barrido de presión y caudal. Se inicializan a cero las matrices de las variables a calcular. Se inicia un bucle de cálculo para cada valor (p) del vector de la presión de entrada (vPfg). Se fija el valor de la presión de entrada: Pa = vPfg(p) Se calcula la presión de alimentación restándole las pérdidas a la entrada: Pf = Pa – perd_entc Se inicia un bucle de cálculo para cada valor (q) del vector del caudal de alimentación (vQfg). Se fija el valor del caudal de alimentación: Qf = vQfg(q) El vector ‘vlimites’ donde se almacena si se ha superado alguno de los límites de operación de las membranas, se inicia vacio. Se introducen los datos en la función ‘CAL_TUBO’ para obtener las variables de cada membrana del tubo. Se calculan las variables del sistema: 1 () N ppm QQi [VIII.65] 1 () () N pm pm p p QiCi QQ   [VIII.66] () ccm QQN [VIII.67] Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-19 () ccm CCN  [VIII.68] () ccm PPN  [VIII.69] _ sc PPperdsalc   [VIII.70]  1 11() N m YYi   [VIII.71] Se comprueba si se ha superado el límite de concentación de sales (Cp > Cp_max) y si es así se incorpora el limite correspondiente al vector ‘vlimtes’. Si se ha incluido un intercambiador de presión (int_presion = 1) se comprueba si el caudal de concentrado se encuentra dentro de los límites de operación del mismo (Qr_minc < Qc < Qr_max), en caso contrario se incorpora el límite correspondiente al vector ‘vlimites’. Se comprueba si se ha superado alguno de los límites establecidos: Si no se ha superado ninguno de los límites establecidos, esto es, todos los valores del vector ‘vlimites’ son nulos, se continua en el paso 0 Si se ha superado alguno de los límites de operación establecidos, esto es, alguno de los valores del vector ‘vlimites’ es la unidad, se continua en el paso 0 Se almacenan las variables del sistema calculadas en la matriz de resultados correspondiente en la fila ‘p’ correspondiente al valor de presión de entrada y columna ‘q’ correspondiente al valor de caudal de alimentación. Se calcula la potencia que necesita el modulo de membranas para funcionar con los valores de presión de entrada y caudal de alimentación fijados:   (,) ( ) ( ) (3/) ap f Potenciag p q P kPa P kPa Q m s [VIII.72] Se calcula la potencia recuperada, la potencia de la bomba y la potencia del motor, en función del sistema de recuperación incorporado: Si no existe, esto es, ninguno = 1: (,) 0 rec Pot p q  [VIII.73] (,) (,) 100 bomba bomba Potenciag p q Pot p q   [VIII.74] (,) (,) (,) 100 bomba motor rec motor Pot p q Pot p q Pot p q   [VIII.75] Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-20 Si es una turbina, turbina = 1: 3 (,) ( ) ( ) 100 rec rec s c Pot p q P kPa Q m s    [VIII.76] (,) (,) 100 bomba bomba Potenciag p q Pot p q   [VIII.77] (,) (,) (,) 100 bomba motor rec motor Pot p q Pot p q Pot p q   [VIII.78] Si es un intercambiador de presión, int_presion = 1: 3 (,) ( ) ( ) 100 rec rec s c Pot p q P kPa Q m s    [VIII.79] (,) (,) 100 booster rec booster Pot p q Pot p q [VIII.80] (,) (,) (,) 100 bomba rec bomba Potenciag p q Pot p q Pot p q   [VIII.81] (,) (,) (,) 100 bomba booster motor motor Pot p q Pot p q Pot p q    [VIII.82] Se almacenan valores nulos para las variables del sistema, incluyendo las potencias, en la matriz de resultados correspondiente en la fila ‘p’ correspondiente al valor de presión de entrada y columna ‘q’ correspondiente al valor de caudal de alimentación. Se vuelve al paso 0 con el siguiente valor del vector de barrido del caudal de alimentación hasta el final del vector. Se convierten las unidades de presión y caudal de las variables calculadas a las unidades del usuario y se almacenan en las matrices de resultados denominadas con el subíndice u. Se calcula la energía específica. Para ello, se define la unidad de energía ('kWh/m3', 'kWh/kgal') en función de la unidad de caudal del usuario y las unidades de caudal (Qp_e) para el cálculo de la energía específica (‘'m3/h', 'gph'). Así: _ _ p ot motor energiag Qp e  [VIII.83] Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-21 Se obtienen los valores mínimos y máximos del rango de operación para cada una de las variables del sistema calculadas. Se almacenan los resultados. 8.4 Análisis de los datos de viento. 8.4.1 Corrección de la Densidad del Aire Consideraciones preliminares: Se introducen los datos necesario para corregir la densidad del aire: la altura a la cual se quiere calcular la densidad y la temperatura del aire. Los cálculos que se exponen a continuación están agrupados en la función ‘cal_den_aire’, cuyo esquema se encuentra en la Figura 8.7: Figura 8.6: Esquema básico de la función ‘cal_den_aire’. Se pasan los datos como argumentos a la función: h = altura (m) t = temperatura (ºC) Se calcula la densidad del aire corregida mediante la ecuación:   5.2561 25 287.04 273 1013.25 10 1 2.2569 10 t aire h    [VIII.84] Se pasa el resultado como argumentos a la función: den_aire = aire (kg/m3) DATOS: h, t RESULTADOS: den_aire cal_den_aire Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-22 8.4.2 Corrección de la Velocidad del Viento con la Altura Consideraciones preliminares: o Se introducen la matriz con los datos del viento, en la primera columna contiene los valores de velocidad y en la segunda los valores de dirección. o Se introducen los parámetros del perfil de viento:  Tipo de perfil: logarítmico (logaritmico=1) o potencial (logaritmico=0).  Longitud de rugosidad: rugosidad_z0 y rugosidad_a  altura_medida  altura_corr = altura_rotor + altitud Los cálculos que se exponen a continuación están agrupados en la función ‘altura_velocidad’, cuyo esquema se encuentra en la Figura 8.7: Figura 8.7: Esquema básico de la función ‘altura_velocidad’. Se pasan los datos como argumentos a la función: logaritmico z0 = rugosidad_z0 a = rugosidad_a v_ref = v_ano h_ref = altura_medida h = altura_corr Se calcula la velocidad corregida según el modelo elegido: Si logaritmico = 1  modelo logarítmico: DATOS: logaritmico, z0, a, v_ref, h_ref, h RESULTADOS: v_ano altura_velocidad Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-23 0 0 log log ref ref h z vv h z       [VIII.85] Si logaritmico = 0  modelo potencial: a ref ref h vv h      [VIII.86] 8.4.3 Análisis de los Datos de Velocidad Consideraciones preliminares: o Se introduce el vector con los datos de la velocidad del viento a lo largo del año: valores de la media o valores corregidos según la altura dependiendo de la opción seleccionada por el usuario. o Se definen las clases de velocidad: 25 clases de 1m/s desde 0 a 25 m/s que se almacenan en el vector ‘v_clases’. Los cálculos que se exponen a continuación están agrupados en la función ‘analisis_viento’, cuyo esquema se encuentra en la figura 8.8: Figura 8.8: Esquema básico de la función ‘analisis_viento’. Se comprueba el valor de la variable ‘corregir_altura’ Si ‘corregir _altura = 1’  v_ano = viento_corregido (:,1)’ Si ‘corregir _altura = 0’  v_ano = viento (:,1)’ DATOS: v_ano, v_clases RESULTADOS: frecuencia, frecuencia2,frecuencia3, horas, horas3, weibull(k,C) v_media, v_max, v_min, v_mediana, v_desv analisis_viento Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-30 Para cada valor de potencia suministrada por el aerogenerador menor que la potencia que necesita el motor para hacer funcionar la planta de ósmosis se almacenan valores nulos para todas las variables. Para cada valor de potencia suministrado por el aerogenerador mayor que la potencia del motor, se obtiene el valor de caudal de permeado máximo que se puede producir con esa potencia y los valores correspondientes de las demás variables. Se representan y se almacenan los resultados. 8.5.2 Distribución Anual de Caudal Consideraciones preliminares: Se ha calculado previamente la distribución de potencia anual y se han almacenado en el vector ‘pot_aero_ano’. Se ha calculado previamente el rango de funcionamiento de la planta de ósmosis y se han almacenado las matrices de las variables correspondientes: presiones, caudales, concentraciones, conversión, potencias y energía específica; así como los valores máximos y mínimos para cada una de las variables. Los cálculos que se exponen a continuación están agrupados en la función ‘cal_cau_ano’, cuyo esquema se encuentra en la Figura 8.14: Figura 8.14: Esquema básico de la función ‘cal_cau_ano’. Se introducen las variables necesarias: pot_aero_ano, pot_motor, pot_bomba, pot_rec, energiag, potenciag, Pagu, Pfgu, Ppgu, Pcgu, Psgu, Qfgu, Qpgu, Qcgu, Cfg, Cpg, Ccg, Yg, Pag_min, Pag_max, Pfg_min, Pfg_max, Ppg_min, Ppg_max, Pcg_min, Pcg_max, Psg_min, Psg_max, Qfg_min, Qfg_max, Qpg_min, Qpg_max, Qcg_min, Qcg_max, Cfg_min, Cfg_max, Cpg_min, Cpg_max, Ccg_min, Ccg_max. DATOS: pot_aero_ano, pot_motor, pot_bomba, pot_rec, energiag, potenciag, Pagu, Pfgu, Ppgu, Pcgu, Psgu, Qfgu, Qpgu, Qcgu, Cfg, Cpg, Ccg, Yg, Pag_min, Pag_max, Pfg_min, Pfg_max, Ppg_min, Ppg_max, Pc g_ min , Pc g_ max , Ps g_ min , Ps g_ max , RESULTADOS: Pag1, Pfg1, Ppg1, Pcg1, Psg1, Qfg1, Qpg1, Qcg1, Cfg1, Cpg1, Ccg1, Yg1, potenciag1, pot_motot1, pot_bomba1, pot_rec1, energia1, cal_cau_ano Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-31 Para cada valor de potencia suministrada por el aerogenerador menor que la potencia que necesita el motor para hacer funcionar la planta de ósmosis se almacenan valores nulos para todas las variables. Para cada valor de potencia suministrado por el aerogenerador mayor que la potencia del motor, se obtiene el valor de caudal de permeado máximo que se puede producir con esa potencia y los valores correspondientes de las demás variables. Se calculan los valores máximo (Qpg1_max), medio (Qpg1_medio) y mínimo (Qpg1_min) del caudal de permeado. Se definen las clases de caudal (q_clases) como un vector desde 0 hasta el caudal máximo de permeado producido a intervalos de 10. Se calcula la frecuencia de cada clase (frecuenciaq) y las horas acumuladas para cada clase a lo largo del año (horasq3). Se representan y se almacenan los resultados. 8.6 Programa de simulación: Caso práctico. 8.6.1 Descripción del Programa El programa denominado Simulación de Plantas de Ósmosis Inversa (SIPLOI) ha sido desarrollado con el objetivo de simular el comportamiento de una planta de ósmosis inversa con suministro de potencia variable. Entorno: Matlab versión 6.5 Nombre: SIPLOI Versión: BETA Objetivo: Simular el comportamiento de una planta de ósmosis inversa con suministro de potencia variable. Tabla 8.3 Datos programa simulación En líneas generales, a partir de una serie de datos que debe introducir el usuario, esto es, características del agua de alimentación, configuración de la planta, parámetros de diseño, datos de velocidad del viento, parámetros del terreno, se obtienen los siguientes resultados: punto de funcionamiento, rango de operación, distribución de velocidad del viento, de potencia y de caudal en régimen variable.Estos cálculos están distribuidos en diferentes bloques que se desarrollan a continuación: Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-32 Agua de Alimentación: Cálculo de la concentración total de sales, coeficiente osmótico y presión osmótica del agua de alimentación introducida. Cálculo el índice de saturación y definición del control de incrustación. Curva de Potencia: Análisis de velocidad y dirección de los datos de viento introducidos: distribución de velocidad, rosa de los vientos, ajuste de Weibull, potencial eólico. Cálculo de la distribución de potencia a partir de la curva de potencia del aerogenerador y de la distribución de viento. Configuración de la Planta: Basándose en una configuración simple monoetapa con un solo tubo, introducir el número de membranas por tubo y el tipo de membranas. (membranas de agua de mar de FILMTEC y KOCH). Resultados: Calcular el punto de funcionamiento: conversión, presiones, caudales y concentraciones para cada membrana; en base a los parámetros de diseño introducidos por el usuario: configuración de la planta, membranas, caudal de permeado, conversión. Acotar el rango de operación de la planta: conversión, presiones, caudales, concentraciones, potencias y energía específica; para los parámetros de diseño introducidos por el usuario: configuración de la planta. Régimen variable: Obtener las distribuciones de velocidad de viento, de caudal y de potencia. Construir las curvas características de funcionamiento de la instalación a lo largo del espectro de potencias suministrado por el aerogenerador en función de la velocidad del viento. Establecer la relación escalonada entre velocidad, potencia y caudal para el sistema elegido. 8.6.2 Caso práctico. 8.6.2.1 Definición Como se ha expuesto anteriormente, el programa se ha desarrollado en base a la Planta Piloto de Las Salinas cuyas características básicas son las siguientes: Localización: Las Salinas. Juan Grande. Configuración: Monoetapa. Nº de tubos: 1 Nº de membranas/tubo: 6 Membranas: TFC 2822-SS-300 Premium Fabricante: KOCH – FLUID SYSTEMS Tabla 8.4 Características de la planta piloto Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-33 Ion Concentracion (mg/l) Amonio 0 Calcio 429.77 Magnesio 1342.85 Sodio 9900 Potasio 320 Bario 0 Estroncio 0 Silicato 0 Clorhídrico 18167.3 Sulfato 2653.45 Fluorhídrico 0 Nitrato 0 Carbonato 6.884 Bicarbonato 169.6 Boro 44.5 Otros T 20 ºC pH 8.1 Tabla 8.5: Composición del agua de ‘Las Salinas’. Para nuestro ensayo se va a sustituir la membrana de la planta, TFC 2822-SS-300 Premium de KOCH – FLUID SYSTEMS, por la membrana SW30HR-380 de DOW – FILMTEC que nos proporciona mejores resultados, y cuyas características se muestran en la Tabla . Área (m2) Caudal de permeado (m3/d) Rechazo de sales Presion maxima (bar) Temperatura máxima (ºC) pH 35 22.71 99.70 69 45 2-11 Tabla 8.6: Características de la membrana SW30HR-380 de FILMTEC - DOW. En la Figura 8.15 se representa el esquema básico de la planta que consiste simplemente en una bomba de alta presión que se encarga de impulsar el agua de alimentación al módulo de membranas. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-34 Figura 8.15: Esquema básico de la planta. Caso Práctico. La bomba de alta presión de la instalación es de tipo volumétrica acoplada a un motor de 30 kW. Esta bomba proporciona un caudal máximo de 9.8 m3/h. El rango de presiones de trabajo es de 7 a 85 bar. Los límites de operación de la bomba se resumen en la tabla 8.7 . r.p.m. motor r.p.m. bomba Presión (bar) Caudal (m3/h) Potencia (kW) Max 1500 375 85 9.8 26.43 Min 800 200 7 5.2 1.17 Tabla 8.7: Límites de operación de la bomba de alta presión. 8.6.2.2 Análisis del Agua de Alimentación En la Figura 8.16, se muestra la pantalla de ‘ENTRADA’ después de introducir las características del agua de alimentación, concentración de cada uno de los iones, temperatura y pH; y calcular la concentración de total de sales. En este caso, la concentración total de sales en el agua de alimentación es de 33034.3 mg/l. Permeado Concentrado Bomba Alta Presión Alimentacion Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-35 Figura 8.16: Pantalla de Entrada. Caso Práctico. 8.6.2.3 Configuración de la Planta En la Figura 8.17 se muestra la pantalla de configuración, en la cual se han introducido los datos de la planta que se enumeraron tabla XX.4, esto es, número de tubos y el número de membranas por tubo. El fabricante de las membranas es FILMTEC y el tipo de membranas que conforman el tubo es SW30HR-380. En esta pantalla también se han introducido los parámetros de diseño de la instalación:  Un caudal de permeado de 100 m3/d.  Una conversión del 42%.  Una presión en el permeado de 0 bar.  Un factor de fouling de 0.8.  Un rendimiento de la bomba del 80 %.  Un rendimiento del motor del 90 %. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-36 Figura 8.17: Pantalla de Configuración. Caso Práctico. En esta pantalla tenemos tres opciones de cálculo:  Punto de funcionamiento  Rango de operación  Régimen variable Las dos primeras sólo dependen de la configuración de la planta y de las características del agua de mar, pero la última, ‘Regimen variable’ necesita la distribución de potencia. 8.6.2.4. Punto de Funcionamiento Con los datos introducidos en los apartados anteriores obtenemos los resultados que se muestran en la Figura 8.18, para caudales y concentraciones en cada una de las membranas en sus tres regiones: alimentación, permeado y concentrado. Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-37 Vemos como ha aumentado la presión osmótica desde la alimentación con 22.79 bar hasta los 41.24 del concentrado final, que nos da una idea de cómo se incrementa la presión que necesita la membrana para producir permeado a medida que avanzamos en el tubo de membranas. Como la presión de alimentación también disminuye a medida que avanzamos en la posición de la membrana dentro del tubo, la conversión también disminuye. Esto significa, como ya es sabido, que el rendimiento disminuye, es decir, que el proceso en las últimas membranas es mucho menos eficiente que en las primeras, estos valores nos permiten cuantificarlo. Figura 8.18: Pantalla de Resultados del punto de funcionamiento. Caso Práctico. En parte inferior de la pantalla se observa un recuadro con los avisos destinados a enumerar qué límites de operación de las membranas se han rebasado, y para qué número de membrana. En este caso, no se ha sobrepasado ningún límite. Para corregir los avisos sería necesario modificar los parámetros de diseño convenientemente para no exceder los límites de operación recomendados por los fabricantes. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-38 Finalmente, tenemos la posibilidad de representar la variación algunas variables con respecto a las membranas del tubo, para ver su evolución con mayor claridad. Las gráficas correspondientes se reúnen en la Figura 8.19. Figura 8.19: Pantalla de gráficas de Resultados del punto de funcionamiento. Caso Práctico. 8.6.2.5 Rango de Operación Se ha obtenido una malla con los puntos de funcionamiento posible para esta configuración, considerando los siguientes límites:  Límites derivados del rango de operación de la bomba.  Límites recomendados por los fabricantes de las membranas.  Límites determinados por el agua de alimentación:  Presión osmótica = 22.79 bar.  Límites impuesto por la concentración de sales en el agua producto:  Máxima concentración de sales en el permeado = 500 mg/l. Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-39 En la Figura 8.20 se muestra la pantalla del rango de operación una vez introducidos los datos correspondientes a los límites que se van a considerar. En la misma pantalla se muestran los resultados para cada una de las variables. Figura 8.20: Pantalla de Rango de Operación: Caso Práctico. El área de barrido consiste en un rectángulo cuyos lados quedan definidos por dos vectores de valores de caudal de alimentación y de presión de entrada. De esta forma para cada pareja de valores de presión y caudal se calcula los valores correspondientes de caudal y concentración de permeado, caudal, concentración y presión de concentrado, conversión, potencia y energía específica. Los puntos no válidos, es decir, aquellos que superan alguno de los límites de funcionamiento de las membranas quedan definidos por valores nulos de todas las variables. A continuación se muestran los rangos de operación obtenidos para las variables más representativas en función del caudal de alimentación y la presión de entrada: caudal de permeado en la Figura 8.21, concentración de permeado en la Figura 8.22, conversión en la Figura 8.23, potencia del motor en la Figura 8.24 y energía específica Figura 8.25. Estas superficies muestran la forma en que estas variables evolucionan con los cambios en la presión de entrada y el caudal de alimentación. Así, se observa que las variaciones más importantes se producen en la dirección de la presión de entrada, mientras que las variaciones en la dirección Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-46 8.6.2.6 Cálculo de la Distribución de Potencia del Aerogenerador Para estudiar el comportamiento de esta configuración con suministro de potencia variable vamos a acoplarle un aerogenerador que cubra la potencia que necesita la planta para funcionar, cuyas características principales se resumen en siguiente tabla. Modelo ECOTECNIA 12/30 Potencia nominal 30 kW Velocidad nominal 10.5 m/s Velocidad de conexion 3.5 m/s Velocidad de corte 30 m/s Diámetro del rotor 12 m Altura del rotor 14 m Tabla 8.8 Características aerogenerador En la Figura 8.32 se muestra la pantalla de curva de potencia en la que se han insertado los siguientes datos: Se ha elegido la opción de utilizar los datos de velocidad de viento reales. Se han introducido las características de la zona: 1. Temperatura del aire = 20 ºC 2. Altitud = 0 m, por lo tanto, únicamente se considera la altura del rotor para la corrección de la velocidad con la altura. 3. Se utiliza la densidad del aire corregida según altura y temperatura. 4. Se considera un tipo de terreno agrícola con algunas casas y setos resguardantes de 8 metros de altura con una distancia aproximada de 500 m que define una longitud de rugosidad de 0.1. 5. Se corrige la velocidad con la altura considerando un perfil de velocidades logarítmico. A continuación se realiza el análisis de los datos reales de velocidad de viento, para obtener los parámetros necesarios de la distribución de viento en la zona. En este emplazamiento se tienen los datos suministrados por el Instituto Tecnológico de Canarias (ITC) consistentes en medidas de velocidad y dirección de viento a 10 m de altura tomados cada 10 minutos durante el año 2005, como ya se ha expuesto en el Capítulo VII. Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-47 Figura 8.32: Pantalla de Curva de Potencia con datos: Caso Práctico. En la Figura 8.33 se muestra la pantalla donde se deben introducir los datos de las medidas de velocidad y dirección del viento para su posterior análisis:  Los valores de las medidas se introducen mediante un fichero de datos en formato ‘ASCII’.  Los datos correspondientes a la altura a la que se ha tomado la medida y el intervalo de las mismas, se introducen manualmente por el usuario en el apartado ‘Datos de la medida’. En nuestro caso, la altura es de 10 m y el intervalo de 10 min.  La altura de corrección de los valores de la velocidad se calcula de la suma de la altitud del emplazamiento elegido para la ubicación del aerogenerador y de la altura del rotor del mismo. Estos datos han sido introducidos anteriormente en la pantalla de ‘Curva de Potencia’. En este caso será de 14 m.  El resto de los datos necesarios para la corrección de los valores de la velocidad del viento también se han introducido anteriormente en la pantalla Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-48 de ‘Curva de Potencia’, esto es, perfil de velocidades logarítmico y longitud de rugosidad del terreno de 0.1.  Los datos de velocidad del viento se corrigen antes de efectuar el análisis de los mismos. Figura 8.33: Pantalla de Análisis de los datos de viento: Caso Práctico. La distribución anual de la velocidad del viento correspondiente a los datos de la velocidad del viento corregidos se puede observar en la Figura 8.34, en la cual se han incluido los valores de la velocidad máxima, la velocidad media y la velocidad mínima. Figura 8.34: Distribución Anual de Viento: Caso Práctico. Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-49 Los resultados del análisis de velocidad se representan de gráficamente en la Figura 8.35: Distribución de velocidad: Se ha representado la frecuencia real para clase de velocidad (de 0 a 25 m/s a intervalos de 1 m/s) en diagrama de barras y el ajuste de a la función de densidad de probabilidad mediante una línea continua. De esta forma, se obtiene una distribución de velocidad del viento definida por una función de Weibull caracterizada por un factor de forma de 1.85 y un factor de forma de 8.59 m/s, con una velocidad media de 7.65 m/s. Horas de velocidad en un año: La distribución de velocidad del viento definida en el apartado anterior, también se puede cuantificar a través del número de horas en el año que el viento sopla a velocidades que se encuentran dentro de cada una de las clases definidas previamente. De esta forma se observa que a las velocidades entre 3 y 4 m/s les corresponden más de 750 horas, el máximo en la distribución real. Mientras que en la distribución de Weibull el máximo se encuentra por encima de las 800 horas para velocidades desde 5 hasta 8 m/s. Frecuencia relativa acumulada: Esta curva representa la frecuencia con la que la velocidad del viento va a ser inferior a una determinada velocidad durante un año, por lo tanto, crece de manera continua a medida que aumenta la velocidad hasta llegar al máximo que es la unidad. De esta gráfica se desprende que aproximadamete la mitad del tiempo la velocidad del viento se encuentra por debajo de 8 m/s. Duración de velocidad: La última curva representa justamente lo contrario de la anterior en horas, el tiempo en que la velocidad del viento será superior a un determinado valor. De esta gráfica se deduce que la duración de la velocidad media que caracteriza esta distribución de viento se encuentra en torno a las 4000 horas anuales. Figura 8.35. Resultados gráficos del análisis de los datos de velocidad del viento: Caso Práctico. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-50 En cuanto al análisis direccional de viento, se ha empleado una rosa de los vientos de 16 rumbos, que se muestra en la Figura 8.36. En la cual se ha representado para cada rumbo en valores porcentuales: la frecuencia, la velocidad y la densidad de potencia. Se obtiene claramente que la dirección predominante es la NE, y en segundo lugar la NEN. Por otra parte, se observa que la diferencia en frecuencia entre ambas direcciones predominantes se aumente en términos de velocidad y, aun más en términos de densidad de potencia. Esto quiere decir que el rumbo más frecuente, es también el de mayor velocidad y, por lo tanto, el que aporta mayor potencia. Este es un factor fundamental a la hora de proyectar la instalación del aerogenerador. Figura 8.36. Distribución direccional del viento. Rosa de los vientos: Caso Práctico. En la pantalla de ‘Análisis de los datos de viento’ (Figura 8.33) se resumen los resultados más significativos del análisis de velocidad: Velocidad media = 7.6496 m/s Velocidad media = 22.448 m/s Velocidad mínima = 0 m/s Factor de forma = 1.8487 Factor de escala = 8.5909 m/s Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-51 y de dirección: Rumbo predominante 1º = NE Frecuencia = 48.150 % Velocidad media = 9.7284 m/s Densidad de potencia = 815.94 W/m2 Rumbo predominante 2º = NEN Frecuencia = 33.285 % Velocidad media = 6.7265 m/s Densidad de potencia = 360.62 W/m2 En la Figura 8.37 se representa la distribución de la velocidad de viento que se ha obtenido como resultado del análisis previo, con los datos que se introducen en la pantalla de ‘Curva de Potencia’ de la Figura 8.32 para proseguir con el cálculo. Figura 8.37: Distribución velocidad del viento: Caso Práctico. En la Figura 8.38 se muestra la curva de potencia del aerogenerador elegido, ECOTECNIA 12/30, corregida considerando la densidad del aire a la temperatura correspondiente, 20 ºC, y a la altura de corrección, 14 m. Estos dato determinan una densidad de 1.203 kg/m3, muy similar a la densidad estándar de 1.225 kg/m3 por lo cual las curvas resultan tan próximas. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-52 Figura 8.38: Curva de Potencia del Aerogenerador ECOTECNIA 12/30: Caso Práctico. Del producto de la potencia específica (W/m3) que se obtiene dividiendo la potencia entre el área del rotor por la probabilidad de la velocidad correspondiente a esa frecuencia se obtiene la densidad de potencia. En la Figura 8.39 se representa la densidad de potencia para: La potencia contenida en el viento (en color azul). El área encerrada bajo la curva da como resultado una densidad de potencia total de 547.64 W/m2, esto es la potencia que contiene el viento en la zona que se ha estudiado. La ley de Betz (en color verde), reducido en un factor de 16/27 de la densidad de potencia contenida en el viento. Este área de 324.53 W/m2 define el límite teórico para la cantidad de potencia máxima que se puede extraer del viento. La potencia generada (en color rojo), que para el aerogenerador considerado la densidad de potencia total es de 102.89 W/m2. En nuestro caso, nuestro objetivo es estudiar el comportamiento de nuestra planta con suministro de potencia variable. Por este motivo se ha elegido un aerogenerador tan pequeño (30 kW), cuya potencia nominal cubra las necesidades de potencia de la planta a lo largo de todo el rango de operación de forma más o menos ajustada para obligarla a funcionar en régimen variable. De ahí, que la mayoría de la potencia no es aprovechada, si nuestro objetivo fuese obtener la máxima potencia el aerogenerador evidentemente sería mayor. Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-53 Figura 8.39: Densidad de Potencia: Caso Práctico. En la pantalla de ‘Curva de Potencia’ se resumen los datos utilizados y los resultados obtenidos a lo largo del procedimiento de cálculo de la potencia como se puede observar en la Figura 8.40. El resultado obtenido es la distribución anual de potencia generada que se muestra en la Figura 8.41, en la cual se han incluido los valores de potencia máxima, 29.51 kW, potencia media, 12.38 kW, y potencia mínima, 0 kW. Como se puede observar la potencia máxima es menor que la potencia máxima del aerogenerador. Esto se debe, por una parte, a la forma de la curva de potencia del aerogenerador que solo alcanza la potencia nominal para un intervalo de velocidades de viento muy restrictivo; y, por otra parte, a la corrección de la potencia con la densidad del aire para las condiciones del emplazamiento. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-54 Figura 8.40: Pantalla de Curva de Potencia con resultados: Caso Práctico. Figura 8.41: Distribución Anual de Potencia: Caso Práctico. 8.6.2.7 Análisis del Régimen Variable Una vez resueltos los apartados anteriores se han obtenido los datos necesarios para estudiar el comportamiento de la planta en régimen variable. Simulación del proceso energía eólica - desalación VIII-55 Para una distribución de velocidad del viento cuya curva de probabilidad ajustada a la función de Weibull se representa en la Figura 8.42, y un aerogenerador con una curva de potencia característica tal como la que muestra la Figura 8.43, se obtiene una curva característica P-Q para la instalación en régimen variable como la que muestra la Figura 8.44. De la combinación de las gráficas de las gráficas anteriores se obtiene la relación entre la velocidad del viento y el caudal de permeado producido que se muestra en la Figura 8.45. De esta forma trasladamos el intervalo de potencias en que la planta trabaja en régimen variable de 6 a 26 kW aproximadamente, a un intervalo de velocidades del viento de 7 a 11 m/s aproximadamente. Figura 8.42: Curva de probabilidad de velocidad del viento: Caso Práctico. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales VIII-62 Figura 8.52: Curva de duración de caudal: Caso Práctico. Finalmente, este funcionamiento en régimen variable, también puede ser caracterizado mediante las curvas de duración de velocidad (Figura 8.50), de potencia (Figura 8.51) y de caudal (Figura 8.52) que definen las horas equivalentes de funcionamiento para la instalación considerada. C A P Í T U L O 9 Estudio Energético de la Planta 9.1. Análisis de la planta: Introducción La planta objeto del estudio en este proyecto en realidad se puede equipara con el funcionamiento de una planta convencional de ósmosis inversa, con la diferencia de que para poder realizar experimentos en ella dispone de ciertos elementos que lo permiten. Estos elementos permiten simular unas condiciones de suministro de energía variable como si se tratara de una fuente de energía renovable. Los elementos imprescindibles para realizar esta simulación son el variador de velocidad y la válvula de rechazo. Con la válvula se controla la presión y con el variador de velocidad el caudal, y como la energía en el caudal de alimentación depende de estos dos parámetros, podemos varias la potencia de entrada a la planta. La presión en el rechazo apenas varía de 1 a 3 bares con respecto a la entrada y el flujo de producto siempre está a presión atmosférica, por lo que desde la válvula de rechazo podemos modificar, aumentando o disminuyendo la presión en todo el sistema de membranas. El variador de velocidad nos va a permitir modificar el caudal de la bomba de alta presión. Además del variador y válvula, la planta está totalmente instrumentalizada y el conjunto está controlado por una autómata que han permitido disponer de los datos que se han analizado. Se han tomado un total de 398.930 datos en un periodo de dos años. 9.2. Parámetros de operación de la planta de ósmosis inversa Con los sensores disponibles en la planta, se han podido obtener los valores de:  Presión de entrada a la membrana  Caudal rechazo  Caudal producto  Conductividad producto  Conductividad rechazo  Presión de rechazo Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IX-2 9.2.1. Estado transitorio Existen periodos de tiempo durante el proceso, a intervalos de un segundo, en los que los valores obtenidos no son válidos de cara a obtener el caudal producto deseado o simplemente son incongruentes. Esto se hace evidente al observar que los valores de recuperación que se obtienen son demasiado pequeños, además de que este tipo de valores implican conductividades negativas, que son valores imposibles. En la tabla 9.1, podemos ver una muestra de un estado transitorio. Los primeros valores de la presión no son válidos puesto que son menores que la presión osmótica y a partir de 27 bares continua el estado transitorio mientras no se estabiliza el valor de la presión. Vemos como al estabilizarse la presión, la recuperación empieza a tomar valores aceptables para el proceso. Un estado transitorio suele ocurrir preferentemente al comenzar a trabajar con la planta, después de una parada por cualquier motivo. Como sabemos, la válvula se utiliza para controlar la presión y con la bomba (variador) se controla el caudal. La válvula es mucho más lenta, por eso la presión tarda más en estabilizarse hasta alcanzar valores óptimos de trabajo. Tabla 9.1 Datos del estado transitorio. Hora P Q R hora P Q R hora P Q R 10:49:47 22 8.576 0,33 10:50:57 39 9.247 17,48 10:52:07 57 8.478 41,67 10:49:48 23 8.602 0,37 10:50:58 39 9.233 17,32 10:52:08 58 8.529 41,89 10:49:49 23 8.711 0,41 10:50:59 39 9.197 17,38 10:52:09 59 8.636 42,31 10:49:50 24 8.789 0,29 10:51:00 39 9.186 16,98 10:52:10 59 8.731 42,66 10:49:56 24 9.092 0,31 10:51:06 46 8.225 20,31 10:52:11 59 8.822 43,09 10:49:57 24 9.111 0,35 10:51:07 46 8.856 25,99 10:52:12 59 8.855 43,12 10:49:58 25 9.109 0,28 10:51:08 46 9.062 27,78 10:52:13 59 8.849 43,04 10:49:59 25 9.132 0,35 10:51:09 46 9.271 29,41 10:52:14 59 8.866 43,07 10:50:00 25 9.142 0,31 10:51:10 46 9.176 28,83 10:52:15 59 8.88 43,16 10:50:01 25 9.156 0,28 10:51:11 46 9.24 29,17 10:52:16 59 8.892 43,17 10:50:02 25 9.173 0,31 10:51:12 46 9.308 29,69 10:52:17 59 8.876 43,07 10:50:03 26 9.155 0,35 10:51:13 46 9.294 29,37 10:52:18 59 8.832 42,93 10:50:04 28 8.839 0,29 10:51:14 46 9.327 29,59 10:52:19 59 8.808 42,74 10:50:05 30 8.491 0,37 10:51:15 46 9.041 27,47 10:52:20 59 8.798 42,68 10:50:06 30 8.383 0,34 10:51:16 46 8.957 26,6 10:52:21 59 8.768 42,63 10:50:07 30 8.387 0,35 10:51:17 46 9.216 28,66 10:52:22 59 8.757 42,49 10:50:08 31 8.424 0,34 10:51:18 46 9.297 29,28 10:52:23 60 8.758 42,45 10:50:09 31 8.431 0,34 10:51:19 46 9.391 29,78 10:52:24 60 8.761 42,51 10:50:10 31 8.445 0,31 10:51:20 46 9.115 27,87 10:52:25 60 8.784 42,47 10:50:11 31 8.474 0,37 10:51:21 46 8.937 26,28 10:52:26 60 8.836 42,65 10:50:32 32 8.495 0,34 10:51:22 46 8.953 26,27 10:52:27 60 8.842 42,69 10:50:33 35 8.171 0,39 10:51:23 46 8.97 26,67 10:52:28 60 8.849 42,71 10:50:34 37 7.713 0,33 10:51:24 46 9.23 28,77 10:52:29 60 8.869 42,75 10:50:35 37 7.568 0,34 10:51:25 46 9.267 29,02 10:52:30 60 8.876 42,76 10:50:36 37 7.543 0,42 10:51:26 46 9.149 28,33 10:52:31 60 8.892 42,75 10:50:37 37 7.52 0,29 10:51:27 46 9.246 28,97 10:52:32 60 8.903 42,89 10:50:38 37 7.554 0,42 10:51:28 46 9.068 27,58 10:52:33 60 8.896 42,85 10:50:39 37 7.557 0,42 10:51:29 47 9.122 28,04 10:52:34 61 8.92 42,85 10:50:40 38 7.557 0,42 10:51:30 46 9.085 27,71 10:52:35 61 8.913 42,84 10:50:41 38 7.577 0,42 10:51:31 47 8.964 29,77 10:52:36 61 8.903 42,86 10:50:42 38 7.561 0,34 10:51:32 47 8.967 26,87 10:52:37 61 8.924 42,83 Estudio energético de la planta. IX-3 9.2.2. Presión y caudal Un parámetro fundamental que define las condiciones de operación de una planta de ósmosis inversa es la presión de trabajo. La presión debe ser superior a la presión osmótica de la solución de aporte, ya que esa presión osmótica es la fuerza que tenemos que vencer para obtener el caudal de agua producto. Esta condición de ser superior se debe, por un lado, a los fenómenos de polarización de la membrana, y por otro, al aumento de la concentración que se produce a medida que se va generando permeado. Por tanto, el valor de la presión de trabajo estará condicionado por la salinidad de la solución a tratar. La polarización de la membrana produce una serie de efectos, de acuerdo con las ecuaciones de transporte: - Reduce, a presión constante, el flujo de solvente y, por tanto, el caudal de permeado ya que, al aumentar la concentración en la superficie aumenta la presión osmótica disminuyendo la presión a través de la membrana. - Aumenta el flujo de soluto a través de la membrana y la concentración del permeado al aumentar el gradiente de concentraciones. - Aumenta el riesgo de precipitación sobre la superficie de la membrana. El caudal de producto, a través de la membrana es proporcional a la presión diferencial neta a través de la misma. El caudal de sal no está afectado por la presión aplicada, sino que es proporcional a la diferencia de concentración, aunque sí tiene efecto en un sentido indirecto, sin embargo, la presión sí tiene efecto sobre el rendimiento de retención. A bajas presiones de trabajo, el caudal de agua resultante es menor mientras que el caudal de sal permanece a nivel constante. Fijándonos en el porcentaje de recuperación, 100* Qa Qp r, observamos que los mayores niveles de concentración salina en la corriente de alimentación aumentan la presión osmótica, lo que reduce la presión neta y, por otro lado, el caudal de producto. A continuación se representa gráficamente los valores de presión y caudal total, es decir, caudal producto más caudal rechazo, correspondientes a la planta, así se pueden observar los límites de trabajo a los que está condicionado el proceso: Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IX-4 Figura 9.1 Presión (bar) frente a Caudal (m3/hora) Ésta gráfica representa el conjunto de datos obtenidos en la medición pero que no son totalmente válidos. Para limitar los valores de presión y caudal dentro de los cuales trabaja la planta debemos tener en cuenta que éstos dependen de la calidad del agua que vamos a obtener y de las características de la membrana. La presión está limitada, por una parte por el hecho de que la presión osmótica del agua es de aproximadamente 27 bares, por lo que valores menores no tendrían sentido. Por otro lado, la presión máxima a la que puede operar la membrana de la planta es de 82 bares. En función de esto, los valores de caudal que se obtienen en total están comprendidos entre 5 y 10 m3/hora. Los valores obtenidos que están fuera del rango que se ha deducido puede ser debido a diferencias del sensor de presiones y el de caudal, o forman parte de un estado transitorio o debido a una saturación temporal. Por lo tanto, los límites de trabajo de la planta representados sobre la nube de puntos global que se han medido, son los indicados en la figura 9.2. Estudio energético de la planta. IX-5 Figura 9.2 Límites de Presión (bar) frente a Caudal (m3/hora) 9.2.3. Conductividad Existe una relación directa entre TDS (ppm) y conductividad y también se verá que la medida de la conductividad es importante para poder controlar el tipo de agua con que se está trabajando, y además para asegurar que el punto de diseño de la planta y del pretratamiento sean correctos. La Organización Mundial de la Salud (OMS) establece que la calidad de cualquier agua destinada a un consumo o abastecimiento humano no debe superar los 500 ppm. De cualquier forma, en España el agua para consumo humano deberá cumplir el Real Decreto 140/2003, de 7 de febrero, en donde se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano. 9.2.4. Caudal de Rechazo El objetivo fundamental de la ósmosis inversa es obtener la calidad de agua más pura que se pueda a un costo lo más bajo posible. Sin embargo, no existe membrana perfecta que logre efectuar un rechazo de sales del 100% y que, a la vez, tenga un buen flujo de agua producto. Es obvio que, mientras más alto sea el rechazo de sales, mejor es la calidad del producto. Por Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IX-6 eso es importante utilizar la membrana que tenga mayor rechazo de sales a un costo razonable. Con la membrana de la planta se obtiene un rechazo del 99.8%. Anteriormente se dijo que el caudal de sal no está afectado por la presión aplicada, sino que es proporcional a la diferencia de concentración, sin embargo, en un sentido indirecto, la presión sí tiene efecto sobre el rendimiento de retención. A bajas presiones de trabajo, el caudal de agua resultante es menor mientras que el caudal de sal permanece a nivel constante. El efecto neto es que la concentración de sal en el permeado aumenta debido a la menor tasa de dilución del permeado. El factor de recuperación, 100* Qa Qp r, tiene un efecto sobre el rendimiento de la membrana, ya que afecta a ambos caudales: sal y producto. A medida que la conversión aumenta, la concentración de sal en la corriente de alimentación se incrementa, lo que produce un incremento en la fuerza actuante sobre el flujo o paso de sal. Además, los mayores niveles de concentración salina en la corriente de alimentación aumentan la presión osmótica, lo que reduce la fuerza actuante o presión neta y, por otro lado, el caudal de producto. El factor de concentración, por otra parte se puede relacionar con la conversión mediante:        r CF 1 1 Esta expresión significa que la concentración de un soluto en la corriente de alimentación será doble (si se asume 100 por 100 de retención), si la planta trabaja a una recuperación del 50 por 100 (es decir, r = 0,5)  Presión frente a caudal producto Figura 9.3 Presión (bar) frente a Caudal (m3/hora) dentro limites Estudio energético de la planta. IX-7 Se observa la tendencia creciente del caudal producto al aumentar la presión, y que además, para obtener un buen caudal producto debe ser a partir de unas determinadas presiones.  Caudal producto frente a recuperación Figura 9.4 Caudal (m3/hora) frente a recuperación La recuperación es directamente proporcional al caudal producto, al aumentar el caudal producto, aumenta la recuperación, es decir, la cantidad de agua producto a partir del agua de alimentación.  Presión frente a recuperación Figura 9.5 Presión (bar) frente a recuperación Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IX-8 Según la figura de la gráfica 9.5, para conseguir un buen caudal producto se debe trabajar a una presión determinada. Como la recuperación está directamente relacionada con el caudal producto, a mayor caudal producto, mayor porcentaje de recuperación, es evidente que a mayor presión, mayor recuperación.  Conductividad producto Figura 9.6 Presión (bar) frente a conductividad En la grafica de la figura 9.6, se muestra la calidad del agua que se está obteniendo en la planta, en ppm, es decir, la conductividad del producto. El intervalo de valores, para unos niveles aceptables de presión y caudal producto se encuentra entre 100 y 400 ppm.  Conductividad de rechazo frente a recuperación Figura 9.7 Recuperación frente a Caudal (m3/hora) Estudio energético de la planta. IX-9 En la grafica de la figura 9.7 se puede apreciar, además del rango de valores de la conductividad del rechazo, cómo al aumentar la recuperación aumenta la conductividad en el rechazo, puesto que se está obteniendo un caudal de producto mayor en proporción al caudal de alimentación.  Potencia frente a presión de alimentación y caudal producto Figura 9.8 Presión (bar) frente a potencia La energía necesaria para el proceso, como podemos ver en las dos gráficas 9.8 y 9.9, está en función del caudal de alimentación y de la presión que obtenemos de la bomba de alta, por lo que cómo es evidente, a mayor presión, mayor gasto energético. También aumenta el gasto al aumentar el caudal producto, puesto que está relacionado con el aumento de presión y de caudal de alimentación. Figura 9.9 Caudal (m3/hora) frente a potencia Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IX-16 cada m3 de agua producto. Entonces la energía almacenada en el agua producto es la diferencia de presión osmótica, entre agua producto y de alimentación. T*R*)cc(P productoaguamaragua   Aplicando esta expresión a los datos de la planta, se obtiene que la energía es del orden de 0,73-0,75 3 m kWhora para todo el rango de presiones. Por lo tanto, la energía contenida en el flujo de agua producto, oscila entre 0,76 y 0,78 kWhora por cada m3 de agua que se obtiene. Podemos decir, con otras palabras, que se necesita ese valor de energía para vencer la presión osmótica y poder pasar de la entrada a la salida del producto.  Caudal de agua rechazo Finalmente, podemos saber la energía presente en el caudal de rechazo por cada m3 de agua producto. En este caso, están presentes las dos energías de las que hemos hablado. Existe una energía cinética debido al propio movimiento del agua, que en este caso no es despreciable, puesto que el valor de la presión del caudal de rechazo está entre 1 y 3 bares menos que la del caudal de alimentación. Por lo tanto, la energía cinética es el producto del caudal de rechazo por su presión correspondiente, y su valor está comprendido entre 3,6 y 2,1 3 m kWhora . Si se quiere pasar del rechazo a la entrada habría que inyectar energía debido a que ésta tiene menor presión. En este caso la conductividad aumenta con respecto al caudal de alimentación, al contrario que lo que ocurre con el caudal de producto. La energía química contenida en el rechazo se halla de la misma forma que con el producto, con la ecuación de Van´t Hoff, pero aplicando la expresión a los datos correspondientes al rechazo. Por cada m3 de agua producto, hay una energía química cuyo valor oscila entre 3 y 1 3 m kWhora . Por lo tanto, la energía existente en el caudal de rechazo por cada m3 de agua que se obtiene en la planta, tiene un valor total 3,9 a 3,1 3 m kWhora para todo el rango de presiones. En la tabla 9.2 podemos ver la energía que necesitaríamos para cada una de las situaciones, es decir, el gasto en energía que tendríamos que tener, a qué presión y caudal de entrada corresponde, qué producto se obtiene, cuál es la recuperación, la conductividad, y los kWhora por cada m3 de producto. Estudio energético de la planta. IX-17 kWh Pentrada (bares) Qentrada (m3/h) Qp(m3/h) Recuperación(%) kWh/m3 Crechazo 8,97 38 8,50 1,50 17,65 5,98 56445 9,63 38,5 9,00 2,00 22,22 4,81 55510 9,26 39,2 8,50 1,50 17,65 6,17 52762 9,85 39,4 9,00 2,00 22,22 4,93 59220 10,23 39,8 9,25 2,50 27,03 4,09 54260 9,44 40 8,50 1,50 17,65 6,30 53580 10,04 40,4 8,95 1,90 21,23 5,29 56020 10,65 40,8 9,40 2,80 29,79 3,80 57360 9,68 41 8,50 1,50 17,65 6,45 56960 10,44 41,3 9,10 2,20 24,18 4,75 56714 10,88 41,9 9,35 2,70 28,88 4,03 55780 10,22 42,3 8,70 1,70 19,54 6,01 54120 10,77 42,6 9,10 2,20 24,18 4,89 58300 11,02 42,9 9,25 2,55 27,57 4,32 65000 10,52 43,3 8,75 1,75 20,00 6,01 54120 11,02 43,6 9,10 2,20 24,18 5,01 58300 11,34 43,9 9,30 2,60 27,96 4,36 64860 10,56 44,2 8,60 1,60 18,60 6,60 51900 11,25 44,5 9,10 2,20 24,18 5,11 59180 11,76 44,8 9,45 2,90 30,69 4,06 52380 10,88 45 8,70 1,70 19,54 6,40 67220 11,60 45,3 9,22 2,40 26,03 4,83 52580 11,78 45,6 9,30 2,65 28,49 4,45 52800 12,18 45,9 9,55 3,20 33,51 3,81 51300 10,97 46,2 8,55 1,56 18,21 7,05 54860 11,54 46,4 8,95 1,99 22,18 5,81 68960 12,17 46,6 9,40 2,75 29,22 4,43 54540 12,36 46,8 9,51 3,01 31,68 4,10 53660 12,51 46,9 9,60 3,40 35,46 3,67 55680 11,90 47,3 9,06 2,12 23,43 5,61 54200 12,36 47,6 9,35 2,70 28,88 4,58 66049 12,71 47,9 9,55 3,20 33,51 3,97 55750 12,16 48 9,12 2,24 24,57 5,43 57700 12,44 48,4 9,25 2,50 27,03 4,97 57640 12,81 48,8 9,45 2,90 30,69 4,42 61277 12,60 49 9,26 2,50 27,00 5,04 70920 13,10 49,5 9,53 3,04 31,90 4,31 66200 12,83 50 9,24 2,50 27,06 5,13 71391 13,33 50,4 9,52 3,01 31,62 4,43 63100 12,94 50,8 9,17 3,35 36,53 3,86 62080 13,22 51 9,33 2,64 28,30 5,01 71800 13,62 51,4 9,54 3,05 31,94 4,47 63500 13,86 51,8 9,63 3,31 34,37 4,19 64980 13,80 52,4 9,48 2,99 31,54 4,61 59180 14,04 52,8 9,57 3,15 32,92 4,46 78400 14,06 53 9,55 3,03 31,76 4,64 82720 14,25 53,5 9,59 3,18 33,18 4,48 66140 14,13 54 9,42 2,97 31,49 4,76 85220 14,56 54,5 9,62 3,30 34,30 4,41 67120 Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IX-18 kWh Pentrada (bares) Qentrada (m3/h) Qp(m3/h) Recuperación(%) kWh/m3 Crechazo 14,59 55,3 9,50 3,00 31,58 4,86 78429 15,06 55,6 9,75 3,51 36,02 4,29 59520 15,29 55,9 9,85 3,72 37,75 4,11 59520 14,41 56,2 9,23 2,46 26,62 5,86 79140 14,90 56,4 9,51 3,00 31,55 4,97 76970 15,31 56,6 9,74 3,50 35,88 4,38 74300 15,62 56,8 9,90 3,84 38,82 4,06 60940 14,65 57 9,25 2,55 27,51 5,75 78820 15,08 57,2 9,49 3,00 31,61 5,03 82860 15,56 57,4 9,76 3,55 36,37 4,38 68673 15,87 57,6 9,92 3,88 39,07 4,09 61000 15,53 58 9,64 3,35 34,75 4,64 74656 16,02 58,5 9,86 3,70 37,53 4,33 61480 15,75 59 9,61 3,10 32,26 5,08 83134 16,25 59,4 9,85 3,66 37,16 4,44 74063 16,53 59,8 9,95 3,90 39,20 4,24 78940 16,06 60,3 9,59 3,10 32,33 5,18 79760 16,50 60,6 9,80 3,60 36,73 4,58 79620 16,90 60,9 9,99 4,10 41,06 4,12 76040 16,32 61 9,63 3,35 34,76 4,88 80960 15,98 61,4 9,37 3,70 39,48 4,32 72871 17,13 61,8 9,98 4,00 40,06 4,29 71520 17,00 62 9,87 3,72 37,70 4,57 70240 17,29 62,5 9,96 3,90 39,16 4,43 74938 17,38 63 9,93 3,35 33,74 5,19 70920 17,44 63,3 9,92 3,88 39,11 4,50 76520 17,68 63,6 10,01 4,35 43,46 4,07 71260 17,74 64 9,98 4,05 40,53 4,39 74500 17,74 64,5 9,90 4,46 45,05 3,98 67620 18,04 65 9,99 4,14 41,47 4,35 75640 18,11 65,5 9,96 4,53 45,51 4,00 68900 18,29 66 9,98 3,93 39,37 4,66 71520 18,37 66,5 9,95 4,48 45,02 4,10 81980 18,53 67 9,96 4,50 45,23 4,11 68760 18,81 68 9,96 4,48 44,96 4,20 71400 18,94 68,4 9,97 4,56 45,78 4,15 69900 19,07 68,8 9,98 4,67 46,78 4,09 71660 19,15 69 9,99 4,74 47,41 4,04 71600 19,42 70 9,99 4,71 47,13 4,13 71660 19,69 71 9,98 4,67 46,80 4,21 74960 19,80 71,5 9,97 4,93 49,44 4,02 82860 19,96 72 9,98 4,95 49,60 4,03 82260 20,24 73 9,98 4,97 49,80 4,07 82260 20,54 74 9,99 4,99 49,95 4,12 82580 Tabla 9.2 Energía necesaria para cada estado. Estudio energético de la planta. IX-19 A continuación podemos ver gráficamente la evolución de con respecto a la energía de entrada de las variables anteriores:  Energía (kilovatios de entrada) frente a caudales: Figura 9.11 Caudal frente energía. A mayor caudal de alimentación, más energía, en kilovatios, necesitamos a la entrada, y por la tanto, cuánto más caudal producto se obtiene, mayor gasto también.  Energía (kilovatios de entrada) frente presión de entrada y recuperación: Figura 9.12 Presión y recuperación, frente energía. 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 Caudal kWh entrada Qentrada Qproducto Polinómica (Qentrada) 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 9,30 10,05 10,64 10,84 12,08 12,42 13,50 13,98 14,35 14,85 16,10 16,49 17,15 17,89 18,25 18,94 19,33 19,92 20,14 KWh entrada Presión entrada(bar) Recuperación(%) Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IX-20 Igual que ocurre con el caudal de alimentación, a mayor presión mayor gasto energético en la entrada. También ocurre lo mismo con la recuperación, puesto que el caudal producto aumenta con respecto al caudal de alimentación.  Energía frente a conductividad de producto: Figura 9.13 Conductividad producto frente energía 0 50 100 150 200 250 300 Conductividad Producto (ppm) kWh entrada Como ya hemos mencionado anteriormente, el caudal de sal no está afectado por la presión aplicada, sino que es proporcional a la diferencia de concentración, lo mismo ocurre con la concentración de sales en el producto. Podemos decir que El rechazo de sales responde a la presión de trabajo. Al aumentar la presión de trabajo, el paso de sales sigue igual, pero se incrementa el flujo de agua. Esto produce un aumento apreciable en la calidad del agua al aumentar la presión. Estudio energético de la planta. IX-21  Energía frente a kWh/m3 producto: Figura 9.14 Consumo específico frente energía entrada 9.5 Diagrama energético Si se representa en forma de esquema, los valores hemos obtenido, tenemos el siguiente diagrama energético del proceso, por cada m3 de agua producto: Figura 9.15 Diagrama energético 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 kWentrada/m3 kWh entrada Producto 0 , 76 – 0 , 78 kWh/m3 Rechazo 3 , 9 - 3 , 1 kWh/m3 Entrada 4,84,1 kWh/m3 Pérdidas de energía %3  energía de entrada Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales IX-22 Si clasificamos los valores de energía por rango de presiones, obtenemos la siguiente tabla, en la que cada situación representa lo que necesitamos invertir para obtener 1m3 de agua producto: Pe Pr m3 entrada m3 rechazo kWh/m3 producto kWh/m3 kWh/m3 cinetica rechazo kWh/m 3 química rechazo total rechazo 40 39 4,33 3,31 0,7661 4,81 3,59 0,3 3,89 45 44 3,70 2,69 0,7746 4,62 3,29 0,41 3,70 50 49 3,22 2,23 0,7749 4,48 3,04 0,55 3,59 55 54 2,91 1,89 0,7751 4,44 2,84 0,68 3,52 60 59 2,65 1,67 0,7766 4,42 2,73 0,75 3,48 65 64 2,32 1,32 0,7769 4,19 2,35 0,94 3,29 70 69 2,11 1,11 0,7771 4,11 2,13 1,05 3,18 Tabla 9.3 Energía necesaria para obtención de m3 de agua Se puede observar la evolución de los kWh por cada m3 de agua producto. En la entrada y el total del rechazo tienden a disminuir, no así la energía química para cada una de los puntos de la tabla, se puede apreciar que no se cumple la igualdad, es decir la energía que se invierte a la entrada por cada m3 de agua producto, no es igual a la suma de la energía que existe en los flujos de producto y de rechazo. Esto quiere decir que se están produciendo pérdidas. Las pérdidas a la salida representan aproximadamente el 3% de la energía de entrada, y entre 0,1 y 0,2 kWhora por cada m3 de agua que se produce. C A P Í T U L O 10 Resumen y Conclusiones 10.1 Resumen La presente tesis doctoral, como se ha indicado con anterioridad, se ha validado mediante el proyecto OPRODES (Optimization of RO Desalination Systems Powered by Renewable Energies, Contract JOR3-CT98-0274, ) proyecto cofinanciado por la comisión Europea en el marco de trabajo del programa de energía no nuclear JOULE III. El objetivo principal del proyecto es ofertar un sistema que incluya energías alternativas para operar con plantas de Osmosis Inversa para cualquier entorno a un costo económico, de cuyo estudio se han obtenido interesantes conclusiones que permitirá trabajar con estos procesos con seguridad de cubrir las demandas existentes. El desarrollo de estos sistemas abre un abanico de posibilidades para su expansión debido a sus excelentes características por el concepto innovativo de trabajar a diferentes presiones y almacenamiento en agua . El uso del mismo contribuye a subsanar problemas de suministro de agua en sistemas aislados con tecnologías medioambientales. La industria de la desalinización mediante la experiencia Oprodes puede ampliar la oferta técnica de sus membranas comerciales de agua de mar, en la actualidad operaban en rangos muy limitados acorde con los test que se realizaban. El proyecto realiza un análisis minucioso del comportamiento de las membranas y de la respuesta que ofrece una planta piloto de Osmosis Inversa trabajando en régimen discontinuo, constantes paradas y fluctuaciones sucesivas en presión y caudal conforme los datos de simulación de potencia procedente de energías renovables (disponibilidad de viento y/o sol), sin necesidad de adquirir los equipos de producción de energía. Para ello se ha calculado mediante los datos históricos la potencia eléctrica producida por los equipos eólicos y solares colocados en una zona geográfica determinada, Una vez correlacionados con las curvas de las máquinas, nos dan la potencia disponible en bornes, que son los que suministramos a la planta de O.I.de agua de mar para su funcionamiento. El proceso se realiza a través de un variador de velocidad que se encarga de simular la variación de potencia suministrada al motor de la planta de O.I. Ésta, presenta una gran flexibilidad en las operaciones y variabilidad de modos de funcionamiento que nos permite estudiar el comportamiento de las membranas bajo condiciones extremas de funcionamiento. Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales X-2 Hemos obtenido un rico historial de datos de los parámetros operacionales y que son de influencia directa en la vida de las membranas: presión, caudal, pH, conductividad, concentración de sales, temperatura, conversión. Estos ensayos se han realizado simultáneamente en la planta de OI con un tubo con una membrana y un tubo con seis membranas en espiral controlados mediante un programa informático que gobierna las ordenes de arranque, operación, paradas controladas y las de emergencia, a la vez almacena los datos técnicos de respuesta, funcionando autónomamente y en su etapa inicial durante más de 6000 horas de trabajo. La respuesta del sistema empleado ha generado gran expectativa en el área de desalinización, por las innovaciones técnicas utilizadas, el nuevo concepto introducido y el amplio abanico de posibilidades que ofrece para extrapolar la experiencia a entornos aislados con utilidad mediata y resolutiva en zonas específicas carentes de agua con beneficio medioambiental en sitios protegidos al utilizar sistemas no contaminantes. 10.2 Resultados. Los ensayos realizados hasta la fecha han permitido recoger datos suficientes para el estudio de las variaciones de los parámetros de trabajo de las membranas. El análisis de los datos obtenidos de las pruebas permite visualizar la evolución de varios parámetros importantes como el flujo de producto, la recuperación, la conductividad y el consumo de energía del proceso de ósmosis inversa. Una vez analizados los datos, nos centramos en estudiar los parámetros que consideramos más importantes Figura 10.1. Consumo específico frente a consumo de entrada 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,00 9,00 11,00 13,00 15,00 17,00 19,00 21,00 kWh/m3 kWh kWh/m3producto Polinómica (kWh/m3producto) Resumen y conclusiones. X-3 Resultado del análisis de los datos se obtiene el gráfico de la figura 10.1, que nos muestra la relación entre el consumo energético de la planta y el gasto de energía por m 3 de producto que se produce. Figura 10.2 Producción y consumo específico frente a presión de entrada Se observa que a bajas presiones el consumo total de la planta es menor pero el gasto energético para obtener un m 3 de producto es mayor. Con el incremento de la presión también aumenta el consumo total de la planta, sin embargo la energía necesaria para obtener un m 3 de producto decrece. Por otro lado, cuando la presión de trabajo aumenta el consumo de kilovatios por metro cúbico de permeado obtenido es menor. Por esta razón, el coste energético para producir un m 3 de producto baja mientras sube la presión de trabajo en la membrana. En la gráfica de la figura 10.2 se puede observar claramente como con el aumento de la presión la producción de producto o permeado es mayor y disminuye el consumo de energía en relación al metro cúbico que se obtiene. Figura 10.3 Relación entre el caudal de rechazo, caudal de alimentación y recuperación frente a consumo de entrada. 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 m3/h - kWh/m3 Presión( bar) Caudal producto kWe/m3 Polinómica (Caudal producto) Polinómica (kWe/m3) 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 % Recuperación m3/h kWh entrada Qrechazo Qentrada Recuperacion Análisis y Simulación de la Tecnología de Osmosis Inversa con Fuentes Energéticas No Convencionales. B-4 Eltawil M.A:, Zhengming Z., Yuan L. (2009). 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