Análisis técnico-económico de una instalación de ósmosis retardada por presión (PRO)

Trabajo Fin de Ingeniería de Medio Ambiente Análisis Técnico Ósmosis Retardada por Presión (PRO) Autor: Jesús David Ramos Pardal Tutor: Fátima Arroyo Torralvo y Luis F. Vilches Arenas Escuela Técnica Superior de Ingeniería Equation Chapter 1 Fin de Máster de Medio Ambiente Análisis Técnico - Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) Jesús David Ramos Pardal Fátima Arroyo Torralvo y Luis F. Vilches Arenas Dpto. Ingeniería Química Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Equation Chapter 1 Section 1 Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) Fátima Arroyo Torralvo y Luis F. Vilches Arenas Agradecimientos ii Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) iii Trabajo Fin de Máster Ingeniería de Medio Ambiente Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) Autor: Jesús David Ramos Pardal Tutor: Fátima Arroyo Torralvo Luis F. Vilches Arenas Profesor titular Dpto. de Ingeniería Química Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2019 Agradecimientos iv Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) v Trabajo Fin de Máster: Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) Autor: Jesús David Ramos Pardal Tutor: Fátima Arroyo Torral y Luis F. Vilches Arenas El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2019 El Secretario del Tribunal Agradecimientos vi Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) vii A mi familia A mis maestros Agradecimientos viii Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) ix Agradecimientos La realización de este documento ha sido posible gracias al apoyo recibido tanto por parte de mi familia, como de todas aquellas personas que forman parte de mi vida y creen en mí. Creo necesario acordarme de los docentes que han marcado mi vida académica, sin ellos hoy no estaría presentando este trabajo, no sólo cultiváis a golpe de bien las mentes que aún están por madurar, sino que creáis senderos para encauzar caminos que aún son difíciles de encontrar. Por último, gracias a Fátima Arroyo y Luis Vilches, mis tutores, por su tiempo, dedicación, paciencia, consejos y amabilidad a la hora de llevar a buen puerto este trabajo. Ha sido un placer. Índice de Ecuaciones xvi Ecuación 24 43 Ecuación 25 43 Ecuación 26 43 Ecuación 27 43 Ecuación 28 44 Ecuación 29 44 Ecuación 30 44 Ecuación 31 44 Ecuación 32 44 Ecuación 33 44 Ecuación 34 45 Ecuación 35 45 Ecuación 36 45 Ecuación 37 45 Ecuación 38 45 Ecuación 39 45 Ecuación 40 45 Ecuación 41 46 Ecuación 42 46 Ecuación 43 46 Ecuación 44 46 Ecuación 45 47 Ecuación 46 47 Ecuación 47 47 Ecuación 48 47 Ecuación 49 48 Ecuación 50 48 Ecuación 51 48 Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) xvii Ecuación 52 48 Ecuación 53 48 Ecuación 54 48 Ecuación 55 49 Ecuación 56 49 Ecuación 57 49 Ecuación 58 49 Ecuación 59 50 Ecuación 60 50 Ecuación 61 50 Ecuación 62 50 Ecuación 63 50 Ecuación 64 51 Índice de Figuras xviii Índice de Figuras Figura 2.1 Magnitud y dirección de Jw para FO, PRO y ROy magnitud (Lee, et al., 1981) 5 Figura 2.2 Diferencia entre los 3 tipos de ósmosis; Ósmosis directa (FO), inversa (RO) y retardada por presión (PRO) (Achilli, et al., 2009) 5 Figura 2.3 Esquema de la planta piloto de PRO, construida por Statkraft (Sharif, et al., 2014) 7 Figura 2.4 Esquema de una planta PRO (Yip, et al., 2011) 8 Figura 3.1 Diagrama simplificado del proceso PRO (Skilhagen*, et al., 2008) 11 Figura 3.2 Torre de toma con flujo de entrada de agua horizontal y vertical (Sánchez-Barriga & Pita, 2016) 13 Figura 3.3 Obstrucción de las rejas por ensuciamiento (Sánchez-Barriga & Pita, 2016) 14 Figura 3.4 Equipo para la ejecución de hinca en microtúnel (https://www.interempresas.net, s.f.) 15 Figura 3.5 Decantador estático de cuatro plantas (elaguapotable.com, s.f.) 18 Figura 3.6 Flotación (Nemerow, 1977) 18 Figura 3.7 Filtro de arena en tanque cerrado (Grundfos, 2002) 19 Figura 3.8 Filtro de carbón activo (www.aguasistec.com, s.f.) 20 Figura 3.9 Espectros de filtración (MSPS, 2009) 21 Figura 3.10 Separación por membranas según las diferentes tecnologías (MSPS, 2009) 21 Figura 3.11 Presión de trabajo de las diferentes tecnologías de membrana (Grundfos, 2002) 22 Figura 3.12 Sistema de microfiltración (Grundfos, 2002). 23 Figura 3.13 Módulo de plato y marco (Grundfos, 2002) 24 Figura 3.14 Módulo tubular (Grundfos, 2002) 24 Figura 3.15 Hollow Fiber configuration (Akafor, s.f.) 27 Figura 3.16 Spiral membrane configuration (Akafor, s.f.) 28 Figura 3.17 Intercambiador de presión de ERI con su despiece (Littrel, 2016) 29 Figura 3.18 Diagrama de un Intercambiador de Presión (MacHarg, 2007) 30 Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) xix Figura 3.19 Turbina Francis y turbina Pelton 30 Figura 3.20 Esquema de una turbina hidroeléctrica (School, s.f.) 31 Figura 3.21 Esquema de un sistema híbrido RO-PRO (He, et al., 2014) 33 Figura 5.1 Diagrama de flujo del proceso PRO (elaboración propia) 38 Figura 5.2 Balance de materia en el sistema de membrana 40 Figura 6.1 Ubicación de la Planta PRO 52 Figura 6.2 Comparación de los costes (€) para una planta de 1MW de potencia instalada 55 Figura 6.3 Comparación de la energía consumida (GWh/yr) por una planta de 1MW de potencia instalada 55 Figura 6.4 Comparación de los costes (€) para una planta de 2MW de potencia instalada 57 Figura 6.5 Comparación de la energía consumida (GWh/yr) por una planta de 2MW de potencia instalada 57 Figura 6.6 Comparación de los costes (€) para una planta PRO trabajando al 20% del caudal mínimo 61 Figura 6.7 Comparación de la energía consumida (GWh/yr) por una planta PRO trabajando al 20% del caudal mínimo 61 Figura 6.8 Comparación de los costes (€) para una planta PRO trabajando al 20% del caudal medio 63 Figura 6.9 Comparación de la energía consumida (GWh/yr) por una planta PRO trabajando al 20% del caudal medio 63 Figura 6.10 Comparación de los costes (€) para una planta PRO trabajando al 20% del caudal máximo 65 Figura 6.11 Comparación de la energía consumida (GWh/yr) por una planta PRO trabajando al 20% del caudal máximo 65 Figura 6.12 Precio del kWh en función de las propiedades del sistema de captación (diámetro hipotético) 67 Glosario xx Glosario ∆π osm Diferencia de presión osmótica (bar) ∆P Diferencia de presión osmótica práctica (MJ/m 3 ) M NaCl Masa molar NaCl 58,44 g/mol R Constante universal gases 8,314 J/molK T d Temperatura del río Ebro (ºK) T c Temperatura del agua del mar (ºK) S NaCl,d Salinidad Río Ebro (g/L) S NaCl,c Salinidad mar 40 g/L Q fm Caudal agua fresca (dulce) que llega al sistema de membrana (m 3 /s) Q fi Caudal de agua dulce entrada (m 3 /s) Q sm Caudal agua salada membrana (m 3 /s) Q si Caudal agua salada entrada (m 3 /s) Q Caudal agua del río (m 3 /s) Q b Caudal descarga agua salobre (m 3 /s) P Capacidad energética de la planta (MW) E p Producción de energía inicial (GWh/yr) t hrs/yr Horas por año 365*24 t sec/yr Segundos por año 365*24*3600 v max Velocidad máxima agua captación 1,8 m/s  Viscosidad agua 0,001 kg/(m·s) A ocsfi Sección transversal tubería captación agua dulce (m 2 ) D ocsfi Diámetro tubería captación agua dulce (m) A ocssi Sección transversal tubería captación agua salada (m 2 ) D ocssi Diámetro tubería captación agua salada (m) A ocsb Sección transversal tubería descarga (m 2 ) D ocsb Diámetro tubería descarga (m) Re ocsfi Nº Reynolds agua dulce f ocsfi Coeficiente de rozamiento (agua dulce) Re ocssi Nº Reynolds agua salada f ocssi Coeficiente de rozamiento (agua salada) Re ocsb Nº Reynolds agua descarga f ocsb Coeficiente de rozamiento (agua descarga) ΣF ocsfi Pérdida carga (agua dulce) (m) L ft Longitud tubería captación agua dulce (m) ΣF ocssi Pérdida carga (agua salada) (m) L st Longitud tubería captación agua salada (m) Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) xxi ΣF ocsb Pérdida carga (agua descarga) (m) L bt Longitud tubería descarga (m) C ft Coste capital tubería entrada agua dulce (€) C st Coste capital tubería entrada agua salada (€) C bt Coste capital tubería descarga agua salobre (€) C upt Precio unidad tuberías entrada/descarga (€/m 3 ) C ios Coste capital total sistema entrada y descarga (€) E lios Pérdida energía en sistema entrada/descarga (GWh/yr) A ff Área filtro agua fresca (dulce) (m 2 ) A sf Área filtro agua salada (m 2 ) J wf Flujo agua microfiltración 0,0063 m/s A fd Área filtro tambor 65,97 m 2 n fd Número de tambores agua fresca (dulce) n sd Número de tambores agua salada L fd Longitud tambor agua dulce (m) L sd Longitud tambor agua salada (m) C upmf Precio unitario microfiltración 0,1 €/m 3 C upps Precio unitario bomba sumidero 300 €/m 3 D drums Diámetro de tambor 3,5 m ∆P mf Presión mínima microfiltración 0,3·10 5 Pa A csps Sección transversal bomba sumidero 140m 2 A csds Sección transversal sumidero descarga 120m 2 C fmf Coste microfiltración agua dulce (€) C smf Coste capital microfiltración agua salada (€) C tmf Coste capital total microfiltración (€) C ps Coste capital bombas de sumideros (€) C ds Coste capital sumidero descarga (€) C ts Coste capital total sumidero (€) C tpt Coste capital total de Pretratamiento (€) E cpt Energía consumida por Pretratamiento (GWh/yr) A m Área membrana (m 2 ) W Densidad energética membrana 2,4 W/m 2 C upm Precio unitario membrana 5 €/m 2 %bleed Porcentaje de sangrado (Recirculación) 0,1 C ms Coste capital sistema membrana (€) E lb Energía perdida debido al sangrado de agua dulce (GWh/yr) n modules Número de módulos P.d module Densidad empaquetamiento módulos de membrana 775 m 2 /m 3 n pv Número de recipientes a presión V module Volumen módulo membrana 0,03142 m 3 n ms Número de pilas de membrana n moduls/PV Nº módulo cada recipiente de presión 7 Glosario xxii MWs Electricidad producida por una pila (MW) n pv/stack Nº recipientes presión en cada pila membrana 6120 C ptpe Coste capital de bombas, turbinas e intercambiadores de presión (€) f € Conversión moneda 1,16 C pipe Coste capital de tuberías (€) C ttg Coste capital total sistemas transmisión y generación (€) ρ Densidad agua 1000 kg/m 3 g Gravedad 9,8 m/s 2 η pump Eficiencia Bombas 0,65 η turbine Eficiencia turbina 0,85 ∆H wt Pérdida de cota total 10 m E wt Pérdidas de energía debido transporte agua (GWh/yr) E lt Pérdida energía eficiencia turbina (GWh/yr) E tltg Pérdida total energía sistemas transmisión/generación (GWh/yr) C land Coste terreno (€) C upl Coste unitario terreno 100 €/m 2 C egc Coste de instalación y sistema de red eléctrica (€) C tpp Coste capital total de planta energía (€) E tl Total de energía perdida y consumida (GWh/yr) E net Producción de energía neta planta (GWh/yr) n Tiempo retorno inversión 20 años i Tasa de interés 0,12 CRF Factor retorno inversión 0,134 φ Factor de operación y mantenimiento 10% Z C Costes de inversión (€/kWh) Z OM Costes de operación y mantenimiento (€/kWh) Z Función objetivo (€/kWh) k Rugosidad material de tuberías (m) Objetivos 2 2 1 O BJETIVOS El objetivo del presente proyecto es el estudio técnico-económico de una planta de ósmosis retardada por presión, desarrollando todas las ecuaciones necesarias para el diseño de dicha planta. El fin último de dicho trabajo es obtener el precio al que se podría vender cada kWh producido por esta planta. Para poder determinar la función objetivo, y comprobar cómo afectan los distintos parámetros que conforman la planta, se realizan distintos estudios, modificando ciertas variables y comparando los resultados. Se estudian y comparan los resultados obtenidos al trabajar con una planta con una potencia instalada de 1MW y 2MW, cómo afecta el caudal a los resultados, estudiando 3 caudales distintos de agua dulce (caudal mínimo del río, el caudal medio y el máximo), y se hace un estudio de cuál es el diámetro óptimo de tubería para la captación de agua y cuáles son los resultados obtenidos con dicho valor. Cada uno de estos supuestos prácticos llevará consigo un estudio comparativo de los costes económicos y energéticos de cada una de las distintas partes de la planta, para poder comprobar cuales tienen un mayor impacto económico-energético. Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 3 2 I NTRODUCCIÓN 2.1 Cronología de la Ósmosis os primeros experimentos sobre ósmosis datan de 1748 (Castillo, 2003), y fueron realizados por Jean Antoine Nollet, que era profesor de física en la Universidad de Navarra. Nollet (Nollet, 1748) a través de experimentos con vejiga animal, de cerdo concretamente, comprobó que si colocaba alcohol en un lado de la vejiga y en el otro sólo agua, el agua atravesaba la vejiga hacia el alcohol pero nunca al contrario. Esto dio lugar al descubrimiento de las primeras membranas semipermeables (de origen orgánico). Sin embargo, el descubrimiento de la ósmosis a través de membranas semipermeables se le atribuye a Henri Dutrochet, quien observó que la difusión de solvente se producía siempre de la solución de menor concentración hacia la de mayor concentración, siendo capaz de atravesar la membrana semipermeable sólo el solvente y nunca el soluto. Además, descubrió que el solvente que fluye a través de dicha membrana provoca una presión que él denominó presión osmótica, que es una propiedad coligativa relacionada con la concentración de sales en el interior de las soluciones, y es la fuerza que causa el movimiento a través de la membrana. No fue hasta 50 años más tarde, 1877, cuando se realizaron las primeras medidas cuantitativas de la presión osmótica, de mano del botánico William Pfeffer. En sus experimentos utilizó una membrana semipermeable artificial fabricada precipitando ferrocianuro de cobre en el laboratorio, y usando agua como solvente y sacarosa como soluto. Gracias a estos experimentos consiguió determinar que la presión osmótica era directamente proporcional tanto a la concentración de soluto como a la temperatura. En el año 1886, Jacobus Henricus Van’t Hoff comparó la presión ejercida por las moléculas del soluto sobre la membrana con la que ejercían las partículas de un gas, la cual se puede resumir en la siguiente expresión: “Toda materia disuelta ejerce sobre una pared semipermeable una presión osmótica igual a la presión que sería ejercida en el mismo volumen, para un número igual de moléculas en estado gaseoso.” Gracias a sus estudios sobre las propiedades coligativas de las disoluciones fue capaz de formular una expresión para la presión osmótica, =··, siendo R la constante de los gases universales, T la L Si hay magia en este planeta, está contenida en el agua - Loran Eisely - Introducción 10 10   = "  ,& /01 ( −   . ) −  ,& /01 (   ( ) 1 + *   [ /01 2   ( − /01 ( −   . ) 3 ] − ∆  - Ecuación 5 El efecto ECP se suma por el término exp(-J w /k), y el efecto del retroflujo de sal en el denominador. Touati (Touati, et al., 2015) introdujo un modelo general de transporte de masa, que describe todo el proceso de transporte que ocurre en la PRO sin ninguna simplificación, teniendo en cuenta los límites externos, capas activas y las membranas de soporte asimétrico. Su teoría se basó en la teoría de la difusión por convección, y su expresión matemática del modelo es:  4 =  5 6  ,& + *  7 1 +  ∆   4 8 9 /01 ( −   .  ) − :  ,& + *  7 1 +  ∆   4 8 ; exp (   ( ) /01 7  4 .  8 − ∆  < Ecuación 6 Donde k D, F son los coeficientes de transferencia de masa de las capas límites en las soluciones diluidas y concentradas. Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 11 3 D ESCRIPCIÓN DE UNA P LANTA PRO na planta de obtención de energía mediante la tecnología de tipo PRO se puede dividir en varias etapas o zonas de trabajo. Como esquema general se puede dividir en: Sistemas de captación y descarga de efluentes, zona de pretratamiento, intercambiador de presión, módulo de membranas y turbina hidroeléctrica. Gran parte de la tecnología usada por las industrias hidroeléctricas y de desalinización hoy en día se puede transferir a plantas de energía PRO con pequeñas modificaciones, por eso, al explicar las distintas partes de la planta PRO se recurrirá a estas tecnologías. En la figura 3.1 se muestra un ejemplo simplificado de la planta de Statkraft (Skråmestø*, et al., s.f.): Figura 3.1 Diagrama simplificado del proceso PRO (Skilhagen*, et al., 2008) 3.1 Sistema de captación y descarga anto la captación como la descarga de agua suponen una elevada carga medioambiental, ya que se suelen efectuar cerca de ecosistemas marinos con un alto nivel de protección ambiental. Actualmente, hay 3 opciones para la captación de agua: Toma abierta, toma cerrada y toma mixta. La toma abierta capta agua directamente del mar, por tanto, presenta una mayor vulnerabilidad frente a cualquier tipo de vertido contaminante, así como una alta variabilidad en la calidad de las aguas captadas. La toma cerrada, toma el agua de pozos, por lo que posee mejor calidad pero su capacidad es bastante reducida, ya que no son fuentes infinitas como el mar, y, además, son susceptibles de colmatación por arrastre de partículas de pequeño tamaño. En lo que respecta a este trabajo, cuyo interés se centra en trabajar con caudales altos, la toma abierta presenta una ventaja evidente, aunque supone mayor complejidad de ejecución e inversión, sobre todo en la etapa de pretratamiento. Las características de ambos tipos de toma se resumen en la tabla 3.1. U T Descripción de una Planta PRO 12 12 Toma Cerrada Toma Abierta Agua limpia por la acción filtrante del terreno. Mínima actividad biológica u orgánica. Baja concentración de O2 disuelto. Temperatura estable. Importantes concentraciones de Fe, Mn, Si y Al. Posible contaminación de nitratos y plaguicidas. Composición química estable. Contenido importante y variable de sólidos en suspensión. Importante actividad biológica y presencia de materia orgánica. Mayor exposición a la contaminación. Importante concentración de O2 disuelto. Composición química variable. Temperatura variable. Tabla 3.1 Características y diferencias entre la captación cerrada y abierta Para plantas que requieren mucho caudal, como es este caso, se prefiere trabajar con captación de tomas abiertas. Este tipo de captación presenta dos ventajas: Capacidad de proporcionar tanto agua de mar como se necesite, y requiere poco mantenimiento, se reduce básicamente a la limpieza de las rejillas filtrantes. Por otro lado, presentan ciertos inconvenientes: Necesidad de realizar obras marinas, que conllevan un incremento en el presupuesto y condicionales legales y medioambientales, y una menor calidad del agua, debido a alteraciones en la temperatura, vertidos, etc. Lo que implica una mayor inversión en la etapa de pretratamiento. Las tomas abiertas están formada por una estructura de captación situada en el fondo del mar en un lugar conveniente. El agua captada entra en las conducciones submarinas y se transporta hasta tierra, hasta una estación de bombeo que la conduce a la planta. Por lo tanto, suele tener los tres elementos siguientes: una torre de toma de agua, un inmisario submarino y una estación de bombeo. Para determinar la mejor ubicación se toman muestras a distintos profundidades y en diferentes condiciones, para conocer distintos parámetros físico-químicos, estudios de geología y geotecnia a través de sondeos, y un estudio de la dinámica litoral (velocidad y dirección del viento u oleaje). La torre de toma es un cajón de hormigón con unas ventanas para la captación del agua, protegidas por una serie de rejas de acero inoxidable o plástico que evitan la entrada de peces o grandes sólidos. Las ventanas se ubican en la parte superior de los laterales, con el fin de evitar la entrada de arenas. Se prefiere un flujo de entrada de agua horizontal, ya que se reduce la succión de organismos, en comparación con la entrada en dirección vertical descendente. Para completar su diseño, se realizan Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 13 modelos hidrodinámicos, con el fin de reducir las succiones, fijando velocidades que garanticen que no se producirá la entrada de sedimentos y no habrá acumulación de material alrededor de la torre que puedan llegar al nivel de las ventanas. Figura 3.2 Torre de toma con flujo de entrada de agua horizontal y vertical (Sánchez-Barriga & Pita, 2016) Las ventanas de la torre de toma suelen tener forma circular o rectangular. La forma circular presenta la ventaja de permitir el cierre con simples bridas ciegas, consiguiendo buena estanqueidad. Para calcular el tamaño y número de ventanas, se debe tener en cuenta el máximo caudal necesario, el atascamiento que se puede producir en las rejillas y las pérdidas de carga. Además, se suele buscar la mayor distancia posible a la superficie del mar, con el fin de evitar recoger agua con partículas flotantes, evitar la entrada de medusas, que haya menos cantidad de luz (más profundidad, menos luz, menos cantidad de organismos) y menor oleaje. Todo esto supone un aumento de los costes. La torre se suele tratar con pinturas antiincrustantes, para evitar que se adhieran organismos marinos a la estructura. Estas pinturas tienen una vida útil reducida, por lo que se deben realizar labores de mantenimiento periódicas. Descripción de una Planta PRO 14 14 Figura 3.3 Obstrucción de las rejas por ensuciamiento (Sánchez-Barriga & Pita, 2016) Si las condiciones marinas son especialmente agresivas en la zona del emplazamiento definitivo de la torre de toma, se puede proteger con escollera o muertos de hormigón, señalizándola con boyas y balizamientos (Ley de Costas, 22/1988 de 28 de julio). Para transportar el agua desde el fondo del mar hasta la orilla se requiere la instalación de inmisarios. Dicha obra está condicionada por cuestiones medioambientales que puedan afectar al ecosistema marino. Las opciones de inmisarios son: Captación en zanja, perforación horizontal dirigida, microtúnel con hinca y lastrado al fondo marino. La ejecución en zanja no se usa debido al importante impacto generado en el fondo marino. Para la zona de transición mar-tierra se usa el túnel y la perforación, y si es necesario aumentar la distancia o la profundidad se utiliza el sistema de lastrado. El material del inmisario varía en función del sistema de ejecución, en zanja y perforación dirigida se usan tuberías de polietileno, mientras que en micro-túnel se usa hormigón armado. Para realizar el cálculo hidráulico del inmisario se debe tener en cuenta el caudal máximo de trabajo de la planta. Para inmisarios de gran diámetro se recurre a la utilización de tuneladoras de frente presurizado. Hinca en microtúnel es la técnica más usada cuando se quiere conseguir grandes diámetros y longitudes con respecto a la costa. El uso de microtuneladoras permite la creación de túneles de más de 2 km y de hasta 3 m de diámetro, para aumentar dichos diámetros y distancias, se debe recurrir a tuneladores mayores. Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 15 Mientras la tuneladora perfora y abre el túnel, se van hincando las secciones del tubo, que suelen ser de hormigón armado y están dotados de juntas de estanqueidad especiales para sellar las uniones y evitar la entrada de agua. Figura 3.4 Equipo para la ejecución de hinca en microtúnel (https://www.interempresas.net, s.f.) Los materiales arenosos de la excavación se fluidifican con bentonita, y se bombean a una estación que la recicla y la reinyecta al túnel para continuar la excavación. Cuando el inmisario es de gran longitud, se necesitan estaciones de bombeo intermedias. Tomando las bombas usadas en la desaladora de Marbella (Acosol, s.f.) (Acosol, s.f.), las bombas de alta presión proporcionan un caudal de 652 m3/h y una presión de descarga de 70 kg/cm2. Están construidas en acero inoxidable calidad AISI 904 L, son del tipo centrífugas horizontales multietápicas y de cámara partida. Debido a los grandes caudales que se manejan en las plantas PRO deberíamos buscar bombas con mayor capacidad de impulsión de caudal o aumentar el número de bombas necesarias para trabajar fácilmente con caudales que pueden llegar a alcanzar los 100m 3 /s. Para ello debería quedar fijado el caudal de trabajo, pero este, como se verá más adelante en las ecuaciones de diseño, dependen directamente del caudal del río del que se extraiga el agua dulce, de forma que se debe conocer la ubicación exacta para poder determinar el caudal exacto, lo que quiere decir que el caudal de trabajo es función de la localización. Descripción de una Planta PRO 16 16 3.2 Pretratamiento l agua de alimentación es sometida a un pretratamiento físico y químico con el objetivo de eliminar sus impurezas y clarificar el agua para garantizar unas condiciones óptimas y evitar un ensuciamiento innecesario en las membranas PRO (Acosol, s.f.) (Acosol, s.f.). Este proceso, puede ser más o menos complejo y, en consecuencia, más o menos costoso en función de la carga contaminante del agua con la que se trabaje. Es necesario conocer bien la composición del agua a utilizar para poder aplicar los tratamientos necesarios antes del proceso PRO. En general, se requiere pretratamiento por tres motivos principales: incrustación (“scaling”), ensuciamiento (“fouling”) y ataque a las membranas. Cuando ocurre alguno de los dos primeros se produce una disminución del rendimiento de la planta debido a las pérdidas por la obstrucción ocasionada, o bien debido al aumento de la presión de trabajo para contrarrestar el efecto de obstrucción. Sin embargo, si se sufre un ataque químico o bacteriano, puede ocasionar daños irreversibles en la capa de rechazo de sales de la membrana, y esto haría que la membrana fuera inservible. El pretratamiento busca eliminar una serie de contaminantes específicos, tales como: sólidos en suspensión, actividad biológica, óxidos metálicos, sales minerales y materia orgánica. A continuación, se comentan todos ellos. Los sólidos en suspensión son material particulado constituido por coloides y suspensiones que provocan el atasco de las membranas debido a su acumulación sobre la superficie de la misma. Para determinar el atascamiento que provocan estas sustancias se utiliza el SDI 15 (Silt Density Index) o índice de Fouling (ASTM, 2002). Los óxidos metálicos que se encuentran con más frecuencia son los de aluminio, hierro y manganeso. El hierro se puede encontrar en sus formas férrica (Fe 2 O 3 ) y ferrosa (FeO), que coexisten. El manganeso aparece en forma de óxido manganoso (MnO), soluble en agua y se elimina fácilmente, y anhídrido manganoso (MnO 2 ), insoluble en agua y causa problemas de acumulación y colmatación de membranas. El aluminio es un metal anfótero y su presencia en el agua se puede deber al uso de coagulantes de este metal en el pretratamiento de la propia planta, o bien disuelto en el agua de forma natural. La combinación del aluminio con el silicio da lugar a aluminosilicatos, los cuales forman una capa impermeable sobre la membrana que también produce su obturación. La precipitación de sales se produce cuando su concentración supera el producto de solubilidad, y las que más problemas causan con: Sulfato de estroncio (SrSO 4 ), sulfato de bario (BaSoO 4 ), sulfato de calcio (CaSO 4 ), carbonato cálcico (CaCO 3 ), óxido de silicio (SiO 2 ) y el fluoruro de calcio (CaF 2 ). Para conocer el riesgo de precipitación es necesario conocer su concentración en el agua, el producto de solubilidad y la conversión que se puede producir en la misma planta (Grundfos, 2002). E Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 17 La actividad biológica en el agua de la planta se debe a que es la misma agua de trabajo la que contiene microorganismos (microalgas, virus o bacterias) y los nutrientes que se necesitan para permitir un acelerado desarrollo sobre la superficie de las membranas. Si dichas membranas no son biodegradables producen efectos similares a los del atascamiento, mientras que si las membranas son biodegradables pueden destruir la capa activa de las mismas (Grundfos, 2002). La materia orgánica que suele provocar atascamientos en las membranas puede tener su origen de forma natural, debido al humus vegetal, o antropogénica, contaminación por aceites, grasas u otros contaminantes debido a un vertido inapropiado. En ambos casos dañan las membranas debido a su pH ácido. La presencia de gases disueltos en el agua son menos frecuentes pero pueden producir la formación de sulfuros metálicos y azufre en las membranas (Grundfos, 2002). Las técnicas físico-químicas más usadas son: acidificación, dosificación de inhibidores de la incrustación, oxidación, coagulación-floculación, decantación, flotación, filtración por lecho filtrantes o cartuchos, adsorción y desgasificación. Acidificar el agua previene la precipitación del carbonato cálcico. La dosificación de antiincrustantes limita la formación de cristales debido a que mantienen los iones en sobresaturación sin permitir su precipitado, previene otro tipo de incrustaciones debido al sulfato cálcico, sulfato de estroncio, sulfato de bario y sílice, y evita la formación y acumulación de óxidos metálicos en la superficie de las membranas (Anon., s.f.). La coagulación-floculación se utiliza, conjuntamente con la decantación y la filtración, para eliminar coloides y partículas en suspensión, tanto orgánicas como inorgánicas, que pueden provocar atascamiento. Se basa en la separación de coloides en su fase fluida dispersa, formada por partículas (coagulación) y después aglomerar este material particulado en suspensión no disuelto (floculación) mediante la adición de una sal metálica en el agua para facilitar su posterior filtrado o decantación. Los coagulantes más usados con sales de hierro o de aluminio, y como floculantes polímeros sintéticos de alto peso molecular (Anon., s.f.). Cuando tras el proceso anterior el agua contiene una concentración de materia floculada superior a 30-50 mg/L se procede a decantar. Para ello, se deje reposar la mezcla con el fin de que el material en flotación se hunda y sea posible su extracción por acción de la gravedad. Esta etapa se suele omitir porque ocupada mucho espacio, y se opta por filtrar directamente (elaguapotable.com, s.f.). Descripción de una Planta PRO 18 18 Figura 3.5 Decantador estático de cuatro plantas (elaguapotable.com, s.f.) La flotación se basa en la diferencia de densidades sólido-líquido, con el fin de eliminar los sólidos capaces de flotar debido a la inyección de burbujas de aire de tamaño microscópico. La diferencia con el método anterior radica en que estas partículas no se dejan reposar ni se recogen en el fondo por gravedad, sino que se elevan y recogen en la superficie. Se emplaza siempre antes de la filtración (Nemerow, 1977). Figura 3.6 Flotación (Nemerow, 1977) En el proceso de filtración se utiliza el paso del agua a través de un medio poroso que retiene y elimina los sólidos en suspensión y deja pasar el agua, siendo obligatoria esta etapa cuando se trabaja con agua bruta. Existen dos tipos fundamentales de filtración: los filtros con desbaste, encargados de realizar una Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 19 eliminación sistemática de partículas y poseen tamaños de poros superiores a 5 µm, y los filtros de seguridad, cuya misión es proteger a las membranas cuyos poros tienen un valor nominal de 1 y 5 µm. Los filtros de seguridad reciben el nombre de filtros de cartucho y están constituidos por láminas de papel especial, algodón, polipropileno o nylon, y su capacidad de filtración es más fina pero posee menos durabilidad, pues se atascan fácilmente y hay que cambiarlos con frecuencia. Los filtros de arena de desbaste funcionan de la siguiente forma: El tanque tiene un fondo poroso cubierto de grava y arena. El agua bruta se introduce por la parte superior y el agua filtrada se extrae por la parte inferior. Durante el retrolavado, se introduce agua purificada por el fondo del tanque que circula en el sentido inverso al de la filtración, y arrastra todas las partículas acumuladas. El agua sucia se recoge por la parte superior. En una planta, se suelen disponer varios depósitos de este tipo operando en paralelo, permitiendo la limpieza de alguno de estos mientras el resto siguen operando. Figura 3.7 Filtro de arena en tanque cerrado (Grundfos, 2002) En caso de que el agua contenga una gran concentración de materia orgánica, se puede reducir usando adsorción con filtros de carbón activo. Descripción de una Planta PRO 26 26 Característica Plato y marco Tubular Espiral Fibra Hueca Pretratamiento necesario Coagulación y filtración a 5 µm Filtración Coagulación y filtración a 5 µm Coagulación y filtración a 1 µm Aplicaciones Alimentación Alimentación Desalación de aguas salobres y de mar Desalación de aguas salobres y de mar Líquidos poco contaminados Aguas residuales y líquidos muy contaminados Obtención de agua de alta pureza Obtención de agua de alta pureza Recuperación de sustancias Recuperación de sustancias Aguas residuales y líquidos poco contaminados, concentración y recuperación de sustancias Concentración y recuperación de sustancias Tabla 3.2 Comparativa de los diferentes módulos de membrana (MSPS, 2009) Las membranas de los módulos de fibra hueca (Hollow fiber configuration) se fabrican con varios centenares de miles de fibras poliméricas huecas de tamaño de un cabello humano (84 µm) que son dobladas en forma de U y colocadas sobre un tubo central. Los extremos abiertos son fijados con una resina epoxi para dar estabilidad al haz formado. El flujo de agua bruta se distribuye forma radial y el permeado circula a través de las paredes de las fibras y transportándose por su hueco hasta que es recogido en el extremo opuesto del recipiente. El agua bruta que no ha penetrado en las fibras arrastra las sales y es recogida en el extremo en forma de salmuera. Este módulo ofrece la mayor densidad de empaquetamiento que existe actualmente en el mercado, pero se produce un alto nivel de ensuciamiento Análisis Técnico- Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) que hacen disminuir su rendimiento. Además, el flujo de agua por unidad de área de membrana resulta bastante bajo debido a la alta relación superficie/volumen que presenta el conducto interior de las fibras. De esta forma, la turbulencia se pierde y el flujo puede resultar de tipo laminar. Figura 3.15 Hollow Fiber configuration El modulo de arrollamiento e n espiral (Spiral membrane obtiene a partir de una hoja de tres capas formada por dos láminas de membrana, normalmente de tipo TFC (Thin Film Composite) separadas por un colector de permeado que actúa como canal para recoger el agua filtrada a través de las membranas. Ambos lados y uno de los extremos de la membrana se sellan al colector de permeado utilizando un cordón o línea adhesiva para formar una hoja de tres capas a modo de sobre. El extremo no pegado se conecta a un tubo hueco del módulo. Para terminar la hoja multicapa se coloca sobre el anterior conjunto una red de malla abierta que actúa como espaciador y, además, permitirá mantener el espacio libre para la circulación del flujo d agua bruta . Hay que repetir varias veces el proceso explicado anteriormente para obtener un módulo de este tipo. Todas estas hojas se enrollan sobre el tubo perforado al que están pegadas y se colocan dos piezas plásticas en los extremos para aportar rig el conjunto exteriormente con un recubrimiento de fibr en una caja a presión. El agua bruta entra por un extremo de la caja de presión, que fluye de tubo central que recoge el permeado. Parte del agua penetra por las membranas y circula por el colector de permeado con un camino espiral hasta llegar al centro y pasar por el tubo de recogida, el cual puede desalojar el agua pura por ambos lados indistintamente. El agua de rechazo recorre todos los módulos longitudinalmente arrastrando las sales hacia la salida, situada en el extremo opuesto de la caja de presión. Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) que hacen disminuir su rendimiento. Además, el flujo de agua por unidad de área de membrana resulta bastante bajo debido a la alta relación superficie/volumen que presenta el conducto interior de las fibras. la turbulencia se pierde y el flujo puede resultar de tipo laminar. Hollow Fiber configuration (Akafor, s.f.) n espiral (Spiral membrane configuration) es el más utilizado en general. Se obtiene a partir de una hoja de tres capas formada por dos láminas de membrana, normalmente de tipo TFC (Thin Film Composite) separadas por un colector de permeado que actúa como canal para recoger el filtrada a través de las membranas. Ambos lados y uno de los extremos de la membrana se sellan al colector de permeado utilizando un cordón o línea adhesiva para formar una hoja de tres capas a modo de sobre. El extremo no pegado se conecta a un tubo hueco perforado encargado de desalojar el permeado del módulo. Para terminar la hoja multicapa se coloca sobre el anterior conjunto una red de malla abierta que actúa como espaciador y, además, permitirá mantener el espacio libre para la circulación del flujo d . Hay que repetir varias veces el proceso explicado anteriormente para obtener un módulo de este tipo. Todas estas hojas se enrollan sobre el tubo perforado al que están pegadas y se colocan dos piezas plásticas en los extremos para aportar rig idez e impedir un efecto telescópico. Por último, se cubre el conjunto exteriormente con un recubrimiento de fibr a de vidrio epoxi que aseguro el módulo y se mete El agua bruta entra por un extremo de la caja de presión, que fluye de forma paralela a la dirección del tubo central que recoge el permeado. Parte del agua penetra por las membranas y circula por el colector de permeado con un camino espiral hasta llegar al centro y pasar por el tubo de recogida, el cual puede agua pura por ambos lados indistintamente. El agua de rechazo recorre todos los módulos longitudinalmente arrastrando las sales hacia la salida, situada en el extremo opuesto de la caja de Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 27 que hacen disminuir su rendimiento. Además, el flujo de agua por unidad de área de membrana resulta bastante bajo debido a la alta relación superficie/volumen que presenta el conducto interior de las fibras. configuration) es el más utilizado en general. Se obtiene a partir de una hoja de tres capas formada por dos láminas de membrana, normalmente de tipo TFC (Thin Film Composite) separadas por un colector de permeado que actúa como canal para recoger el filtrada a través de las membranas. Ambos lados y uno de los extremos de la membrana se sellan al colector de permeado utilizando un cordón o línea adhesiva para formar una hoja de tres capas a modo de perforado encargado de desalojar el permeado del módulo. Para terminar la hoja multicapa se coloca sobre el anterior conjunto una red de malla abierta que actúa como espaciador y, además, permitirá mantener el espacio libre para la circulación del flujo d e . Hay que repetir varias veces el proceso explicado anteriormente para obtener un módulo de este tipo. Todas estas hojas se enrollan sobre el tubo perforado al que están pegadas y se colocan dos idez e impedir un efecto telescópico. Por último, se cubre de vidrio epoxi que aseguro el módulo y se mete forma paralela a la dirección del tubo central que recoge el permeado. Parte del agua penetra por las membranas y circula por el colector de permeado con un camino espiral hasta llegar al centro y pasar por el tubo de recogida, el cual puede agua pura por ambos lados indistintamente. El agua de rechazo recorre todos los módulos longitudinalmente arrastrando las sales hacia la salida, situada en el extremo opuesto de la caja de 28 Este módulo puede formar agrupaciones, es decir, las mejor el caudal de trabajo de la planta. Figura 3.16 Spiral membrane configuration 3.4 Intercambiador de presión lgunos procesos industriales operan a presiones muy elevadas, produciendo una corriente residual a alta presión. Una forma de aprovechar el fluido a alta presión es transmitir esta presión a una corriente de alimentación. Para ello se usa un intercambiador conversión de energía hidráulicahidráulica directamente, sin ningún tipo de eje mecánico de por medio, decir, gracias a este equipo se transfiere energía en forma de presión de un fluido a alta presión a otro con baja presión. Un intercambiador de presión es una cámara de intercambio de presión por rotación. El agua presurizada que sale del sistema de membrana pasa a la unidad del intercambiador de presión, donde su presión es transferida directamente al agua de alimentación s puede alcanzar el 95%. Este caudal de alimentación, pasará por una bomba booster para compensar las pérdidas hidráulicas en tuberías, en el no necesita energía e xterna, el ahorro de energía de una planta típica recuperador de energía, es de un 57%. Constructivamente, el intercambiador de presión posee dos tapas sellantes con forma de disco precisas a los extremos, con dos orificios cada una. Uno para el paso de flujo a alta presión y otro para el paso del flujo a baja presión. Sólo posee una parte móvil, un rotor cerámico sin eje de ningún tipo, encajado en una camisa cerámica y A Descripción de una Planta PRO 28 Este módulo puede formar agrupaciones, es decir, las membranas se colocan en serie para aprovechar mejor el caudal de trabajo de la planta. Spiral membrane configuration (Akafor, s.f.) Intercambiador de presión lgunos procesos industriales operan a presiones muy elevadas, produciendo una corriente residual a alta presión. Una forma de aprovechar el fluido a alta presión es transmitir esta presión a una corriente de alimentación. Para ello se usa un intercambiador de presión hidráulica directamente, sin ningún tipo de eje mecánico de por medio, decir, gracias a este equipo se transfiere energía en forma de presión de un fluido a alta presión a otro con Un intercambiador de presión es una cámara de intercambio de presión por rotación. El agua presurizada que sale del sistema de membrana pasa a la unidad del intercambiador de presión, donde su presión es transferida directamente al agua de alimentación s alina, con un rendimiento que puede alcanzar el 95%. Este caudal de alimentación, pasará por una bomba booster para compensar las en el recuperador y las membranas. Ya que el intercambiador de presión xterna, el ahorro de energía de una planta típica , comparado con una planta sin recuperador de energía, es de un 57%. (Littrel, 2016). Constructivamente, el intercambiador de presión posee dos tapas sellantes con forma de disco precisas a los extremos, con dos orificios cada una. Uno para el paso de flujo a alta presión y otro para el paso del flujo a baja presión. Sólo posee una parte móvil, un rotor cerámico sin eje de ningún tipo, encajado en una camisa cerámica y con múltiples conductos pasantes, que se asemeja al tambor de un Descripción de una Planta PRO membranas se colocan en serie para aprovechar lgunos procesos industriales operan a presiones muy elevadas, produciendo una corriente residual a alta presión. Una forma de aprovechar el fluido a alta presión es transmitir esta presión de presión , realizan una hidráulica directamente, sin ningún tipo de eje mecánico de por medio, es decir, gracias a este equipo se transfiere energía en forma de presión de un fluido a alta presión a otro con Un intercambiador de presión es una cámara de intercambio de presión por rotación. El agua presurizada que sale del sistema de membrana pasa a la unidad del intercambiador de presión, alina, con un rendimiento que puede alcanzar el 95%. Este caudal de alimentación, pasará por una bomba booster para compensar las membranas. Ya que el intercambiador de presión , comparado con una planta sin Constructivamente, el intercambiador de presión posee dos tapas sellantes con forma de disco y holguras precisas a los extremos, con dos orificios cada una. Uno para el paso de flujo a alta presión y otro para el paso del flujo a baja presión. Sólo posee una parte móvil, un rotor cerámico sin eje de ningún tipo, con múltiples conductos pasantes, que se asemeja al tambor de un Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 29 revolver con recámaras. Al girar, el rotor permite la conexión entre las respectivas aperturas de las tapas y se efectúa entonces el intercambio de presión entre los fluidos en contacto directo. Figura 3.17 Intercambiador de presión de ERI con su despiece (Littrel, 2016) El intercambiador de presión funciona en cuatro fases. En la primera, el agua de alimentación llega al recuperador a baja presión desde el pretratamiento y llena una cámara del rotor. Como esa cámara no se encontraba vacía sino con el agua de rechazo del sistema de membrana (ya sin presión) en su interior, el agua de alimentación la desplaza y la desplaza y sale al exterior. En la segunda fase, al girar el rotor, la cámara queda totalmente sellada, permaneciendo así el agua de alimentación en su interior a la presión a la que entró (baja presión). En la tercera fase, el agua que sale del sistema de membrana a alta presión entra en el rotor e impulsa el agua de alimentación que se encontraba llenando la cámara. Por último, la cámara queda sellada atrapando el agua de rechazo que ha transmitido toda su presión en el paso anterior. Descripción de una Planta PRO 30 30 Figura 3.18 Diagrama de un Intercambiador de Presión (MacHarg, 2007) 3.5 Turbina hidroeléctrica na turbina hidroeléctrica es una máquina rotatoria capaz de convertir la energía cinética y potencial de un fluido, en este caso agua, en energía mecánica, es decir, produce una conversión de energía hidráulica-mecánica-hidráulica. Es la base de la generación de energía de cualquier central hidroeléctrica. La turbina Francis, turbomáquina motora a reacción y de flujo mixto desarrollada en el siglo XIX por James B. Francis, tiene como desventaja el estrecho rango de flujo y presión requerido para lograr la máxima eficiencia de operación. Las anteriores fueron reemplazadas por las turbinas Pelton, 1980, que poseen mayor eficiencia. Lester A. Pelton inventó una turbomáquina de acción, de flujo tangencial y admisión parcial con un diseño que deflactaba el flujo impulsor a casi 180º permitiendo un intercambio de energía muy elevado debido a la gran cantidad de movimiento aportado. Figura 3.19 Turbina Francis y turbina Pelton U Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 31 Su funcionamiento es sencillo: el fluido de rechazo que sale del sistema de membrana a alta presión, entra y empuja unas hélices que van unidas a un generador, donde se genera la energía eléctrica. Figura 3.20 Esquema de una turbina hidroeléctrica (School, s.f.) 3.6 Evacuación de la salmuera l agua de rechazo que se devuelve al mar, no sólo tiene concentraciones salinas, sino que lleva consigo todos los compuestos químicos que se utilizaron como aditivos en el pretratamiento. Por ello, se debe hacer un estudio de impacto ambiental para ver cómo afecta el vertido al ecosistema marino. Se pueden adoptar tres soluciones para verter dicha agua al mar. La primera, vertido directo a través de ramblas o cauces superficiales, adecuada en zonas de vientos y corrientes considerables, ya que las temperaturas y el oleaje favorecen una rápida dispersión. La segunda, construcción de emisarios submarinos que sobrepasen la zona de flora marina; aunque no queda claro si el efecto de la obra necesaria para construir este emisario resulta más perjudicial que el propio vertido. La tercera, aprovechar los emisarios ya existentes de aguas residuales, ya que resulta un mal menor verter dicho rechazo a colectores residuales, en zonas ya degradadas por el efectos de las aguas residuales urbanas. E Descripción de una Planta PRO 32 32 3.7 Mantenimiento onjunto de operaciones orientadas a asegurar un funcionamiento y duración óptimos de la planta. Se deben realizar tareas de mantenimiento en todas las etapas unitarias de la planta. Sin embargo, la etapa más importante y que requiere un mantenimiento especialmente cuidadoso es el sistema de membranas. Los síntomas de ensuciamiento de las membranas no siempre son fáciles de detectar. Se manifiestan debido a la disminución del caudal de permeado o debido al aumento de las presiones de trabajo. Si no se realiza el mantenimiento una vez detectados los síntomas, pueden alcanzarse niveles de ensuciamiento irreversibles, que pueden incluso dañar el material estructural de la membrana. Las operaciones de limpieza de las membranas se realizan siempre con la planta en parada, de acuerdo a las siguientes fases: primero, se prepara la solución de limpieza añadiendo los productos químicos a un tanque de agua de buena calidad y sin cloro, para no dañar las membranas. El bombeo hasta el sistema de membranas se debe realiza a baja presión y sin exceder el flujo los márgenes establecidos por los fabricantes de membranas. Esta solución de limpieza puede atacar a las juntas de las bombas del circuito, por lo que se suele conectar directamente una manguera desde el tanque a la entrada de las membranas para que las bombas no se vean dañadas. Se intercalan períodos de limpieza y de reposo. Si el nivel de ensuciamiento es muy alto, la solución de limpieza puede adquirir un intenso cambio de color o apreciarse precipitaciones. Una vez concluida la limpieza, deben aclararse las membranas y el circuito con agua limpia. Finalmente, se pone de nuevo la planta en marcha. El agua de limpieza no se tira directamente al mar, sino que se lleva hasta una estación de tratamiento de aguas residuales externa, donde se eliminan estos agentes químicos y se decantan los sólidos. 3.8 Integración entre una planta desaladora y PRO l proceso PRO no se limita sólo a la utilización de agua de mar frente a agua de río, sino que se pueden usar distintas soluciones de alimentación, sobre todo teniendo en cuenta el origen de las soluciones, como por ejemplo, agua dulce frente a agua de mar, agua de mar frente a salmuera concentrada (proceso híbrido de PRO y desaladora) o efluentes y salmuera concentrada (proceso híbrido con tratamiento de aguas residuales). Se ha llegado a la conclusión de que la hibridación entre una planta PRO y una desaladora (Palacin, et al., 2013) (Achilli, et al., 2014) tiene un futuro bastante prometedor, reduciendo no sólo los costes de trabajo de la desaladora sino también los impactos ambientales, ya que la salmuera obtenida no se descarga directamente al mar, sino que se utiliza en la planta PRO. C E Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 33 En 2010, se llegó a construir una planta piloto híbrida RO/PRO para probar la viabilidad de esta técnica. La planta se ubicó cerca del centro de desalinización de agua de mar Uminonakamichi Nata y se suministraba el agua pura de una planta de tratamiento de aguas residuales y la salmuera desde la planta desaladora. Se trató el agua que provenía de la planta de aguas residuales, con el fin de eliminar cualquier agente que pudiera provocar problemas en la membrana de la planta PRO, utilizando para ello una unidad de Ultra Filtración (UF). La membrana usada para esta prueba fueron módulos de fibra hueca fabricados por Toyobo Co., Ltd. En otro estudio (Kim & Elimelech, 2013), el proceso híbrido RO/PRO opera con dos fines distintos (producir agua y energía) y se requiere un criterio adecuado para comparar ambos procesos. Por ello se introdujo un marcador denominado Tasa de Retorno de Agua y Energía (WERR), definido como se muestra en la ecuación 7: => = ?@/ ABCDECEDF ( = GHI − = HI ) + ?@/ D J , HI Ecuación 7 Donde, W PRO es la energía producida en la planta PRO, W RO la energía consumida en la planta desaladora y Q p,RO cantidad de agua obtenida en la desaladora. Cuanto mayor sea el valor de WERR mayor beneficio se obtiene. En dicho estudio se llegó a la conclusión de que la salmuera proveniente de la planta desaladora era una buena opción en comparación con otras fuentes: primero porque es un residuo que se revaloriza, porque existe buena disponibilidad y prácticamente sin coste, y segundo porque la salmuera que ingresa en el sistema PRO ya ha pasado por un pretratamiento, por lo que llega sin materia que pueda ensuciar de más el sistema de membranas, y elimina el coste de pretratamiento en la planta PRO. En la figura 3.21 (He, et al., 2014) se muestra una posible configuración de una planta híbrida desaladora (RO)/PRO, usando la salmuera concentrada originada por el proceso RO y agua residual como agua salobre de baja concentración. Figura 3.21 Esquema de un sistema híbrido RO-PRO (He, et al., 2014) Descripción de una Planta PRO 34 34 Siendo SW agua de mar, PW agua producto desalada, CW salmuera concentrada y BW agua de baja concentración. Además, se propone un factor denominado FC (Feasible Condition), que determina la viabilidad de la planta híbrida, definido en la ecuación 8: K = ∆  GHI L ( 1 − M ) 2 N OP − N AH N OG 3 + M G Q ∆  GHI : 1 − N AH ( 1 − M ) N OG ; Ecuación 8 Donde η HT, ERD, HP , hacen referencia al rendimiento de la turbina hidroeléctrica, del recuperador de energía y la bomba de alta presión respectivamente, Y es la cantidad de agua recuperada en la planta RO. Cuanto mayor sea el valor del factor FC mayor será la viabilidad del proyecto. Sin embargo, el estudio no tuvo en cuenta el efecto de la polarización de la concentración y el flujo inverso de la sal en el rendimiento del sistema RO/PRO. Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 35 4 P ROBLEMAS M EDIOAMBIENTALES n un primer momento, cabría esperar que los impactos ambientales de la PRO fueran prácticamente nulos, ya que se considera una tecnología renovable sin emisiones de CO 2 y a que el agua salobre de la planta se descargaría como ocurre de forma natural en la descarga de un río en el mar. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la tecnología PRO es aún inmadura, lo que provoca una incógnita entre el impacto teórico y real que puede provocar en el medio ambiente. Por ello, para aplicar la PRO a gran escala se necesitaría un estudio realmente exhaustivo para cuantificar los impactos ambientales. Se puede seguir el ejemplo de la planta piloto de Statkraft para suponer una serie de problemas ambientales que deberíamos estudiar. En el caso de esta planta, el agua del río se tomaría antes del punto de descarga natural, mientras que el agua salobre, o agua del mar, se tomaría de un punto distante a la costa y profundo. Una vez en la planta, el agua pasaría por el sistema de membranas mezclándose y produciendo un agua salobre, que se descargaría de nuevo en el mar. Todo esto puede producir diversos problemas ambientales a tener en cuenta. Desde un punto de vista general, los problemas ambientales que afectarían a la zona del mar se dividen en 4 grandes grupos (Staalstrom & Gitmark, 2012) (Walday, et al., 2011): Salinidad, temperatura, nutrientes y productos químicos. El cambio en la salinidad se puede producir en dos zonas, la zona donde se toma de agua de mar, zona profunda, en el caso de Statkraft a 35 metros de profundidad y la zona superficial de descarga del agua salobre de la planta. El reciente monitoreo de salinidad cerca del punto de descarga del prototipo noruego ha demostrado que la descarga de agua salobre es responsable del aumento de la salinidad superficial, debido a los altos niveles de salinidad del agua profunda que se desvía hacia la planta (Staalstrom & Gitmark, 2012). Esto no se puede generalizar para otras plantas y ubicaciones, ya que la salinidad de las aguas profundas del mar pueden verse muy afectadas por los vientos y las corrientes locales, produciendo fuertes reducciones. Si bien la variación en la salinidad se produce de forma natural, son las altas fluctuaciones, debido a la toma de agua y descarga de salmuera, las que pueden provocar cambios severos en las comunidades de animales y plantas, desequilibrando el ecosistema local. E "Produce una inmensa tristeza pensar que la naturaleza habla mientras los hombres no escuchan" - Víctor Hugo - Ecuaciones para el diseño de una Planta de Generación de Energía por Ósmosis Retardada por Presión 42 42 Una vez conocida la sección transversal de la tubería se podrá calcular fácilmente el diámetro necesario para la tubería (D ocs , m):  RC = j 4 ∗  RC  Ecuación 18 Para comprobar si esta configuración es viable y a qué altura se deberá colocar la tubería se hace uso de la ecuación de Bernuilli (ecuación 19): ℎ _ + h _ ] 2 m +  _ nm = ℎ ] + h ] ] 2 m +  ] nm + o K Ecuación 19 Donde ∑F hace referencia a la pérdida de carga (m), v 1 y v 2 (m/s) y P 1 y P 2 son la velocidad y la presión a la salida y la entrada de la tubería respectivamente, h 1 (m) es la altura a la que se encuentra la salida de la tubería y h 2 (m) es la altura a la que se encuentra la entrada de la tubería, g es la fuerza de la gravedad (9,8 m/s 2 ) y ρ es la densidad del agua (kg/m 3 ). Si se supone que la velocidad y la presión son prácticamente constantes, y que h 1 hace referencia al nivel del mar, o sea, 0 m, el resultado obtenido es el siguiente: ℎ ] =−∑K. Se observa que la cámara de captación deberá encontrarse por debajo del nivel del mar, y la altura vendrá dada por las pérdidas de carga que se produzcan en el inmisario. A continuación, se procederá a calcular dichas pérdidas de carga, a través de la ecuación de Fanning (ecuación 20): o K = q ∗ r ∗ h $i ] 2  RC ∗ m Ecuación 20 Donde ∑F es la pérdida de carga en m, f es el coeficiente de rozamiento, L es la longitud desde la zona de captación hasta la planta PRO en m, v max es la velocidad máxima de paso en m/s, D ocs el diámetro de la tubería en m y g la gravedad en m/s 2 . El coeficiente de rozamiento (f) se determina mediante la ecuación de Colebrook-White (ecuación 21): 1 s q = − 2 ∗ tum v .  RC w 3 . 71 + 2 . 51 / s q { Ecuación 21 Donde Re es el número de Reynolds, k es la rugosidad del material de la tubería en m, y D ocs es el diámetro de la tubería en m. Dado que dicha incógnita se encuentra a ambos lados de la ecuación, se ha necesitado el uso de un pequeño script en Excel para poder resolverlo. Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 43 El número de Reynolds (ecuación 22): / = n ∗ h $i ∗  RC | Ecuación 22 Donde será necesario conocer la densidad (ρ, kg/m 3 ), la velocidad máxima de paso del agua (v max , m/s), el diámetro de la tubería (D ocs , m) y la viscosidad del agua (, kg/m·s). Finalmente, se define la cántara de captación como el lugar donde se almacena el agua de mar para ser posteriormente bombeada a la planta. Esta cámara estará construida en hormigón y está compuesta por 2 secciones. La primera sección servirá para que la entrada del agua procedente del inmisario submarino no se produzca de forma brusca. En la siguiente sección se sitúan las bombas de captación, que serán las encargadas de bombear el agua hacia la planta desalinizadora. A modo de separación, se colocarán unas rejillas para evitar el paso de partículas más grandes (Colomina, 2016), (Rodríguez, 2016). Para calcular los costes de capital de las tuberías de captación de agua fresca (C ft ), las tuberías de captación de agua salada (C st ), las tuberías de descarga de agua (C bt ), se emplean las siguientes ecuaciones (23, 24, y 25):  aD =  RCaE ∗ r aD ∗  } D Ecuación 23  D =  RCE ∗ r D ∗  } D Ecuación 24  &D =  RC& ∗ r &D ∗  } D Ecuación 25 Donde A ocsfi es la sección transversal de la tubería de captación de agua fresca (m 2 ), A ocssi es la sección transversal de la tubería de captación de agua salada (m 2 ), A ocsb es la sección transversal de la tubería de descarga de agua (m 2 ), L ft es la longitud desde la zona de captación del agua dulce a la planta (m), L st es la longitud desde la zona de captación del agua salada a la planta (m), L bt es la longitud desde la planta a la zona de descarga (m) y C upt el precio unitario de la tubería. Sumando cada uno de estos costes se obtiene el coste de capital total de los sistemas de captación y descarga (C ios , €) (ecuación 26):  ER =  aD +  D +  &D Ecuación 26 Por último, se calcula la energía empleada por el sistema de captación y descarga (E lios , GWh/yr) (ecuación 27): > BER = n ∗ m ∗ J E ∗ ∑ K ∗ d e / F 10 ~ Ecuación 27 Ecuaciones para el diseño de una Planta de Generación de Energía por Ósmosis Retardada por Presión 44 44 Donde Q si es el caudal de agua salada a la entrada (m 3 /s) y ΣF es la pérdida de carga en m, t h/yr es el número de horas que funciona la planta en un año, g es la fuerza de la gravedad (9,8 m/s 2 ) y ρ es la densidad del agua (kg/m 3 ). 5.3 Pretratamiento. a microfiltración es la mejor opción para el pretratamiento de las aguas en una planta energética PRO (Naghiloo, et al., 2015). Para determinar el área necesaria de membrana para realizar la microfiltración, se necesita conocer el caudal de agua dulce; Q fi , el caudal de agua salada, Q si; y el flujo de agua, J wf , a través de la membrana (característica de la membrana usada para realizar la microfiltración). Conocidos estos datos, se puede calcular el área de membrana necesaria para el agua dulce, A ff , y para el agua salada, A sf , a través de las siguientes expresiones (ecuaciones 28 y 29):  aa = J aE  a Ecuación 28  a = J E  a Ecuación 29 Para determinar el número de tambores de membrana se debe conocer el área de membrana necesaria para la microfiltración (calculado por las ecuaciones 31 y 31, A ff y A sf ) y el área de filtro que contiene cada tambor, A fd , que es un dato de cada estructura de tambor. De esta forma, se puede calcular el número de tambores necesarios: • a =  aa  a Ecuación 30 •  =  a  a Ecuación 31 Con las ecuaciones 32 y 33 se calculan la longitud que van a ocupar los tambores usados para la microfiltración, tanto del agua fresca, L fd , como del agua salada, L sd : r a = [  }$ + ( 2 ∗ 0 . 5 ) ] ∗ • a Ecuación 32 r  = [  }$ + ( 2 ∗ 0 . 5 ) ] ∗ •  Ecuación 33 L Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 45 Donde el número de tambores necesarios para la microfiltración de agua dulce y salada (calculados por las ecuaciones 30 y 31) son n fd y n sd respectivamente, y se debe suponer que entre tambor y tambor existe una separación de 0,5 metros, de forma que la configuración final de los tambores quedaría como un tambor separado por 0,5 metros de cada tambor que se ubique a su lado. Por último, se calculan todos los costes derivados del pretratamiento, así como la energía consumida para realizar este proceso. Aplicando las ecuaciones 34, 35 y 36 se obtiene el coste de capital para la microfiltración de agua dulce y salada, C fmf y C smf, y el coste total derivado de la microfiltración, C tmf , como suma de las dos anteriores:  a$a = J aE ∗ d C / F ∗  } $a Ecuación 34  $a = J E ∗ d C / F ∗  } $a Ecuación 35  D$a =  a$a +  $a Ecuación 36 Donde el caudal de agua dulce y salada que se va a filtrar son Q fi y Q si respectivamente, t s/yr es el número de segundos que funciona la planta en un año y C upmf es el coste unitario de la microfiltración. Tras la microfiltración se producen tres corrientes, una de agua fresca microfiltrada, agua salada microfiltrada y, por último, una corriente que contiene los residuos que han sido eliminados en la microfiltración y que van a parar a un sumidero con ayuda de una bomba. Para calcular el coste de la bomba de sumidero, del sumidero de descarga y el coste total del sumidero, se usan las ecuaciones 37, 38 y 39:   =  C  ∗ X r a + r  Z ∗  }  Ecuación 37   =  C ∗ r  ∗  }  Ecuación 38  D =   +   Ecuación 39 Donde L fd y L sd son la longitud que ocupan los tambores de agua fresca y salada respectivamente, A csps es la sección transversal de la bomba de sumidero, C upps el coste unitario de la bomba de sumidero y A csds es la sección transversal del sumidero de descarga. El coste total del pretratamiento, C tpt , se determina sumando el coste total de la microfiltración, C tmf , y el coste del sumidero, C ts (ecuación 40):  D D =  D$a +  D Ecuación 40 La expresión para el cálculo de la energía total consumida en el pretratamiento (GWh/yr) es: Ecuaciones para el diseño de una Planta de Generación de Energía por Ósmosis Retardada por Presión 46 46 > C D = ∆  $a ∗ X J a$ + J $ Z ∗ d e  / F 10 ~ Ecuación 41 Donde Q fm y Q sm son el caudal de agua dulce y salada que llegará al sistema de membrana respectivamente, que será la misma que salga del sistema de pretratamiento, t h/yr es el número de horas que funciona la planta en un año y ∆P •‚ es la presión mínima necesaria para que se produzca la microfiltración. 5.4 Sistema de membrana. e va a emplear un módulo de membrana en espiral, ya que actualmente resulta el más económico en comparación con los otros tipos existentes para este tipo de tratamientos (Naghiloo, et al., 2015). Para determinar el área total de membrana requerida, A m , se debe dividir la capacidad energética total de la planta P entre la densidad energética de la membrana usada (W), característica del tipo de membrana (ecuación 42):  $ ≥  ∗ 10 „ = Ecuación 42 Para determinar el coste total del sistema de membrana, C ms , sólo se tiene que multiplicar el área total necesaria de membrana, A m , por su precio unitario, C upm :  $ =  $ ∗  } $ Ecuación 43 Para conocer la pérdida de energía hay que tener en cuenta que no todo el caudal de agua dulce (Q fm ) va a atravesar la membrana y, por lo tanto, no se va a producir la energía teórica esperada (Q fm +Q sm =3·Q fm ), sino que parte del agua dulce se recirculará (%bleed=0,1·Q fm ). La proporción entre los caudales por un balance de materia en el sistema de membrana queda como sigue: …† w ∗([(…−%ˆ‰ŠŠ‹)∗Œ •Ž ]+Œ •Ž ) Œ •Ž =Œ •Ž −%ˆ‰ŠŠ‹∗Œ •Ž +•Œ •Ž †Œ •Ž =†Œ •Ž −%ˆ‰ŠŠ‹∗Œ •Ž †Œ •Ž De esta forma, se puede determinar la pérdida total de energía debido a la recirculación o sangrado de agua dulce, E lb , como una diferencia entre la energía total que se obtendría, E p , y la que se obtiene realmente debido a la recirculación, como se observa en la ecuación 44: > B& = 5 1 − 1 3 w ∗ X ‘ ( 1 − % ’t//“ ) ∗ J a$ ” + J $ Z J a$ < ∗ > Ecuación 44 S Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 47 5.5 Sistemas de transmisión y generación de energía. na pila de membrana está formada por varios recipientes de presión, y un recipiente de presión está compuesto por varios módulos. Para calcular el número de módulos de volumen, se dividirá el área total de membrana necesaria, A m , calculada anteriormente, entre la densidad de empaquetamiento de los módulos de membrana, p.d module , y el volumen del módulo de membrana, V module , obteniéndose la siguiente expresión (ecuación 45): • $R}B =  $ 1 . “ $R}B ∗ • $R}B Ecuación 45 Para determinar el número de recipientes a presión, n pv , sólo es necesario dividir el número de módulos de volumen, n moduls , calculado anteriormente, entre el número de módulos en cada recipiente de presión, n moduls/PV (ecuación 46): • – = • $R}B • $R}B / G— Ecuación 46 Para determinar el número de pilas de membrana, n ms , se divide el número de recipientes de presión, n pv , entre el número de recipientes de presión que es capaz de albergar una pila de membrana, n pv/stack (ecuación 47): • $ = • – • – / DC˜ Ecuación 47 La energía que es capaz de generar cada pila de membrana, MW s , se calcula como un cociente de la capacidad energética total de la planta, P, entre el número total de pilas de membrana, n ms , obteniendo de ese modo la energía que produce cada unidad (ecuación 48): T=  ≥  • $ Ecuación 48 Para realizar el cálculo de los costes de inversión en este apartado se hacen tres suposiciones: 1. La expresión que permite calcular los costes de una turbina tipo Kaplan (Aggidis G.A., 2010), para caudales comprendidos entre 0,5-5 m 3 /s, tiene la siguiente forma: =3500(.=) ™,„š (calculado para £; 2008). Para corregir la unidad monetaria en la que está definido se aplica un factor de conversión, f (valor actual en abril 2019 1,16€=1£), y para corregir la ecuación de Kaplan y actualizarla a los valores de 2018, se buscan los valores actuales (2018=603,10) y del 2008 (575,40) del CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost Index) (https://www.chemengonline.com, s.f.). U Ecuaciones para el diseño de una Planta de Generación de Energía por Ósmosis Retardada por Presión 48 48 2. Cada pila de membrana está formada por: 1 bomba para el agua fresca, 1 bomba para el agua salada, 1 intercambiador de presión y 1 turbina. Por ello, en la expresión del cálculo de los costes, el resultado está multiplicado por 4, suponiendo que los costes de estas 4 partes de la pila de membrana son equivalentes. El coste de todos estos equipos se calcula usando la ecuación de Kaplan, añadiendo la energía que es capaz de producir cada pila de membrana, MW s , el número de pilas de membranas obtenidas, n ms , y multiplicada por el factor de conversión de la moneda, f € , y por 4 (por los 4 equipos que se ha comentado anteriormente) (ecuación 49):  D  = 3500 ∗ ( T=  ∗ 10 g ) ™ . „š ∗ q ∗ 4 ∗ • $ Ecuación 49 3. El coste de las tuberías se supone un 2% del coste total de la planta (Naghiloo, et al., 2015) (ecuación 50):  E  = 0 . 02 ∗  D Ecuación 50 El coste de capital total derivado de los sistemas de transmisión y generación, C ttg , se obtiene como suma de los costes debido a los equipos, C ptpe , y a las tuberías, C pipe (ecuación 51):  DD› =  D  +  E  Ecuación 51 La energía consumida en el transporte de agua se calcula con la siguiente expresión: > D = n ∗ m ∗ ∆ œ  X J a$ + J $ Z ∗ d e / F N &R$& ∗ 10 ~ Ecuación 52 Donde ρ densidad del agua en kg/m 3 , g es 9,8 m/s 2 , Q fm y Q sm son los caudales de agua dulce y salada que llegan al sistema de membrana (m 3 /s), t h/yr el tiempo de funcionamiento de la planta en horas durante un año, η bomba es la eficiencia de la bomba y H W pérdida de carga (m) debido a la fricción con la tubería, que es un valor determinado y constante definido para distintos tipos de tuberías y materiales. Hay que tener en cuenta la eficiencia real de la turbina. La energía real, E tl , se calcula considerando la energía teórica total producida, E p , y la pérdida por la eficiencia de la turbina, N turbine (ecuación 53): > DB = > ∗ ( 1 − N D}&E• ) Ecuación 53 La energía consumida en este apartado procede del consumo de energía debido al transporte del agua (E wt ) y a la pérdida de energía debido a la eficiencia de la turbina (E tl ), con lo que la expresión matemática queda de la siguiente forma (ecuación 54): > DBD› = > D + > DB Ecuación 54 Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 49 5.6 Costes del terreno, instalación eléctrica y conexión a la red eléctrica. ara determinar los costes del terreno se debe conocer la superficie que ocupa la planta. Para calcularlo se aproxima a una planta rectangular cuyos lados se suponen que tienen el mismo valor que la longitud que ocupan los tambores de agua dulce y agua salada, L fd y L sd . Conocida dicha superficie, sólo quedaría multiplicarla por el precio unitario del terreno, C upl (ecuación 55):  B• = X r a ∗ r  Z ∗  } B Ecuación 55 Para conocer los costes de la instalación y conexión a la red eléctrica, se considera que dicho coste supone un 1,5% del coste total de la planta energética PRO (Naghiloo, et al., 2015) (ecuación 56):  ›C = 0 . 015 ∗  D Ecuación 56 5.7 Coste total de la planta y energía total perdida o consumida por la planta. a energía total consumida o perdida durante todo el proceso PRO se determina como la suma de todas las energías consumidas que se han ido calculando en los pasos anteriores (debido al sistema de entrada/descarga, E lios , consumida por el pretratamiento, E cpt , debido a la recirculación, E lb , y al sistema de transmisión/generación, E tltg ) (ecuación 57): > DB = > BER + > C D + > B& + > DBD› Ecuación 57 Una vez conocido el valor de la energía total que se ha consumido o perdido durante todo el proceso, E tl , se puede determinar el valor de la energía neta producida por la planta PRO, E net , que será aquella a la que se le pueda sacar una rentabilidad económica, a través de la siguiente expresión: > •D = > − > DB Ecuación 58 Para conocer el coste total de la planta, C tpp , se debe tener en cuenta que el coste de las tuberías y de la instalación y conexión a la red están en función del coste total de la planta (ya que se han supuesto como un porcentaje del mismo), por lo que la expresión matemática queda de la siguiente forma (siendo C ios Coste del sistema de entrada/descarga, C tpt pretratamiento, C ms sistema de membranas, C ttg sistema de transmisión/generación, C egc instalación/sistema de red eléctrica, C land terreno) (ecuación 59): P L Ecuaciones para el diseño de una Planta de Generación de Energía por Ósmosis Retardada por Presión 50 50 C Ÿ = C ¡¢£ + C Ÿ Ÿ + C •£ + C ŸŸ¤ + C ¥¤¦ + C §¨©ª C Ÿ =C ¡¢£ +C Ÿ Ÿ +C •£ +XC Ÿ ¥ +C ¡ ¥ Z+C ¥¤¦ +C §¨©ª C Ÿ =C ¡¢£ +C Ÿ Ÿ +C •£ +XC Ÿ ¥ +0.02C Ÿ Z+0.015C Ÿ +C §¨©ª 0 . 965 C Ÿ = C ¡¢£ + C Ÿ Ÿ + C •£ + C Ÿ ¥ + C §¨©ª Ecuación 59 5.8 Determinación de la función objetivo. a función objetivo es el coste de capital necesario para producir cada kWh. Para poder determinar este valor se necesitan conocer dos valores: el coste de inversión de capital, Z C , y el coste de operación y mantenimiento, Z OM . De esta forma, la expresión de la función objetivo queda (ecuación 60): ¬ = ¬ V + ¬ I- =  D ∗ K ∗ ® > •D ∗ 10 „ Ecuación 60 Para poder calcular el coste de inversión de capital, Z C , es necesario conocer, entre otras cosas, el factor de retorno de la inversión, CRF (Christensen T.H., 2011), que se calcula a través de la siguiente expresión (ecuación 61): K =  ∗ (  + 1 ) • ( 1 +  ) • − 1 Ecuación 61 Donde i es el interés y n es el horizonte en años. Además, es necesario determinar la energía neta producida por la planta, E net , y el coste de capital total de la planta, C tpp (ecuación 62): ¬ V =  D ∗ K > •D Ecuación 62 El coste de operación y mantenimiento de la planta se puede calcular como una función de Z C . Por ello, en su expresión matemática aparece φ denominado factor de operación y mantenimiento, al que se le asigna un valor aproximado del 10%, lo que quiere decir que el coste de operación y mantenimiento supone aproximadamente un 10% del coste de inversión por kWh o Z C . La expresión matemática queda de la siguiente forma (ecuación 63): ¬ I- = ® ∗ ¬ V Ecuación 63 Con todo ello, el coste total gastado por KWh producido, se puede expresar como (ecuación 64): L Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 51 ¬ = ¬ V + ¬ I- = ( 1 + ® ) ∗  D ∗ K > •D Ecuación 64 CASOS PRÁCTICOS 58 58 Hay que destacar que los diámetros de las tuberías necesarias para la captación y descarga del agua no son excesivamente grandes y son fáciles de instalar (del orden de 1 m). En cuanto a los costes de las distintas partes que conforman el proceso PRO, se observa que los costes que suponen un mayor impacto económico para el proceso son, en ambos casos, el coste del sistema de captación y descarga (C ios ) y el coste del pretratamiento (C tpt ), siendo variables que deben ser estudiadas con profundidad para abaratar dichos costes. En cuanto al mayor consumo de energía, se aprecia un mayor impacto en el consumo de energía debido al sistema de generación y transmisión de energía (Etltg), ya que supone casi el 25% del total de la energía consumida por el proceso. Con todo ello, el coste de la energía está muy por encima del precio de mercado, ya que los valores obtenidos para una planta PRO de 1 y 2 MW son superiores a 1 €/kWh. 6.2 Planta PRO en función del caudal de agua del río. n este apartado se va a realizar el estudio técnico-económico de la planta PRO en función del caudal del río. Para esto, en primer lugar, se debe conocer cuál es el caudal del río Ebro durante el año (http://eportal.mapama.gob.es/BoleHWeb/, 2019). Una vez conocido los valores de caudales para los distintos meses del año, se ha realizado un estudio para el caudal máximo (con el que operará la planta PRO durante un número menor de meses), el caudal medio (para el que la planta PRO operará un mayor número de meses que si se usa el caudal máximo) y el caudal mínimo (con el que la planta PRO podrá funcionar durante todo el año). Es evidente que no puede operar la planta PRO con los valores máximos de caudal del río, ya que si se usa todo el caudal se dejaría el río sin agua. Por ello, se ha realizado el estudio usando un 20% de los valores de los caudales expuestos. Los valores de los caudales para el río Ebro en función de los meses del último año 2018 se muestran en la tabla 6.5: E Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 59 Enero Febrero Marzo Abril 406,20 514,29 711,66 1382,31 Mayo Junio Julio Agosto 387,59 234,60 151,73 123,76 Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 145,71 157,48 389,51 327,22 Tabla 6.5 Caudales del río Ebro durante el año 2018 (m 3 /s) El caudal máximo se presenta en el mes de abril (1382,31 m 3 /s), con el que solo podría trabajar la planta PRO durante ese mes. El caudal medio obtenido es de 411 m 3 /s, por lo que se podría considerar que con este caudal se operaría durante los meses de enero, febrero, marzo, abril, mayo y noviembre, es decir, durante 6 meses. Mientras que el caudal mínimo del río se presenta en el mes de agosto (123,76 m 3 /s), con el que se podría operar durante todo el año. Los resultados obtenidos para el caudal mínimo (123,76 m 3 /s), con el que se puede operar durante todo el año, se muestran en las tablas 6.6 y 6.7: Potencia instalada P (MW) Coste Capital total PRO Ctpp (€) Producción Energía Inicial Ep (GWh/y) Producción Energía Neta Enet (GWh/y) Z (€/kW·h) 39,54 7,5·10 8 346,39 152,08 0,76 Tabla 6.6 Resultados para una planta PRO trabajando al 20% del caudal mínimo CASOS PRÁCTICOS 60 60 Q fi 22,28 Re ocssi 10651516,8 L fd 241,20 E tltg 150,03 C tpt 278306448,39 Q fm 24,75 Re ocsb 12826124,7 L sd 536,00 E tl 194,30 C ms 82378488,91 Q si 49,50 f ocsfi 0,0084 A m 16475697,78 C ft 61880000 C ptpe 55019749,23 Q sm 49,50 f ocssi 0,0079 n moduls 676606,14 C st 96257777,8 C pipe 15053774,52 Q b 71,78 f ocsb 0,0077 n pv 96658,02 C bt 139573778 C ttg 70073523,75 A ocsfi 12,38 ΣF ocsfi 3,48 n ms 15,79 C ios 297711556 C land 12928378,5 A ocssi 27,50 ΣF ocssi 1,54 MWs 2,50 C fmf 70252116,48 C egc 1,1·10 7 A ocsb 39,88 ΣF ocsb 1,24 E lios 13,21 C smf 156115814,4 C tpp 7,5·10 8 D ocsfi 3,97 A ff 3536,00 E cpt 19,51 C tmf 226367930,9 Z C 6,6·10 5 D ocssi 5,92 A fs 7857,78 E lb 11,55 C ps 32642473,85 Z OM 9,3·10 4 D ocsb 7,13 n fd 53,60 E wt 98,07 C ds 19296043,66 Re ocsfi 7145254,71 n sd 119,11 E lt 51,96 C ts 51938517,51 Tabla 6.7 Resultados para una planta PRO trabajando al 20% del caudal mínimo La comparación entre los costes y el consumo o pérdida de energía de la planta al operar con el caudal mínimo del río, se muestran en las figuras 6.6 y 6.7: Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 61 Figura 6.6 Comparación de los costes (€) para una planta PRO trabajando al 20% del caudal mínimo Figura 6.7 Comparación de la energía consumida (GWh/yr) por una planta PRO trabajando al 20% del caudal mínimo Los resultados obtenidos para el caudal medio (411 m 3 /s), teniendo en cuenta que en este caso sólo funciona la planta durante 6 meses (181 días), se exponen en las tablas 6.8 y 6.9: 297711556 278306448 82378489 12928378 70073524 11290331 1 Cios Ctpt Cms Cland Cttg Cegc 13,21 19,51 11,55 150,03 1 Elios Ecpt Elb Etltg CASOS PRÁCTICOS 62 62 Potencia instalada P (MW) Coste Capital total PRO Ctpp (€) Producción Energía Inicial Ep (GWh/y) Producción Energía Neta Enet (GWh/y) Z (€/kW·h) 131,32 2,2·10 9 570,44 260,27 1,30 Tabla 6.8 Resultados para una planta PRO trabajando al 20% del caudal medio Q fi 73,98 Re ocssi 19410745,6 L fd 801,01 E tltg 247,07 C tpt 545273074,93 Q fm 82,20 Re ocsb 23373632,9 L sd 1780,03 E tl 310,16 C ms 273574328,9 Q si 164,40 f ocsfi 0,0084 A m 54714865,78 C ft 205500000 C ptpe 182717493,01 Q sm 164,40 f ocssi 0,0079 n moduls 2246970,94 C st 319666667 C pipe 44203751,66 Q b 238,38 f ocsb 0,0077 n pv 320995,85 C bt 463516667 C ttg 226921244,67 A ocsfi 41,10 ΣF ocsfi 1,91 n ms 52,45 C ios 988683333 C land 142582787,4 A ocssi 91,33 ΣF ocssi 0,85 MWs 2,50 C fmf 115692883,2 C egc 3,3·10 7 A ocsb 132,43 ΣF ocsb 0,68 E lios 11,94 C smf 257095296 C tpp 2,2·10 9 D ocsfi 7,23 A ff 11742,86 E cpt 32,14 C tmf 372788179,2 Z C 1,1·10 6 D ocssi 10,78 A fs 26095,24 E lb 19,01 C ps 108403819,92 Z OM 1,6·10 5 D ocsb 12,99 n fd 178,00 E wt 161,51 C ds 64081075,81 Re ocsfi 13021124,02 n sd 395,56 E lt 85,57 C ts 172484895,73 Tabla 6.9 Resultados para una planta PRO trabajando al 20% del caudal medio Los resultados comparativos de los costes y la energía perdida o consumida por la planta, al operar con el caudal medio anual del río, se muestran en las figuras 6.8 y 6.9: Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 63 Figura 6.8 Comparación de los costes (€) para una planta PRO trabajando al 20% del caudal medio Figura 6.9 Comparación de la energía consumida (GWh/yr) por una planta PRO trabajando al 20% del caudal medio Por último en este apartado, se exponen en las tablas 6.10 y 6.11, los resultados obtenidos al operar con el caudal máximo del río Ebro (1382,31 m 3 /s), pero sólo durante el mes de abril (30 días). 988683333 545273075 273574329 142582787 226921245 33152814 1 Cios Ctpt Cms Cland Cttg Cegc 11,94 32,14 19,01 247,07 1 Elios Ecpt Elb Etltg CASOS PRÁCTICOS 64 64 Potencia instalada P (MW) Coste Capital total PRO Ctpp (€) Producción Energía Inicial Ep (GWh/y) Producción Energía Neta Enet (GWh/y) Z (€/kW·h) 441,65 7,5·10 9 317,99 148,11 7,75 Tabla 6.10 Resultados para una planta PRO trabajando al 20% del caudal máximo Q fi 248,82 Re ocssi 35597871,6 L fd 2694,04 E tltg 137,73 C tpt 787926762,05 Q fm 276,46 Re ocsb 42865513,8 L sd 5986,75 E tl 169,87 C ms 920108346,8 Q si 552,92 f ocsfi 0,0084 A m 184021669,4 C ft 691155000 C ptpe 614530943,46 Q sm 552,92 f ocssi 0,0079 n moduls 7557202,91 C st 1075130000 C pipe 150479605,31 Q b 801,74 f ocsb 0,0077 n pv 1079600,42 C bt 1558938500 C ttg 765010548,77 A ocsfi 138,23 ΣF ocsfi 1,04 n ms 176,41 C ios 3325223500 C land 1612851404 A ocssi 307,18 ΣF ocssi 0,46 MWs 2,50 C fmf 64493055,36 C egc 1,1·10 8 A ocsb 445,41 ΣF ocsb 0,37 E lios 3,62874952 C smf 143317900,8 C tpp 7,5·10 9 D ocsfi 13,27 A ff 39494,57 E cpt 17,91 C tmf 207810956,2 Z C 6,8·10 6 D ocssi 19,78 A fs 87765,71 E lb 10,60 C ps 364592905,87 Z OM 9,5·10 5 D ocsb 23,81 n fd 598,67 E wt 90,03 C ds 215522900,02 Re ocsfi 23879778,24 n sd 1330,39 E lt 47,70 C ts 580115805,89 Tabla 6.11 Resultados para una planta PRO trabajando al 20% del caudal máximo En las figuras 6.10 y 6.11 se puede observar el impacto que tienen los distintos costes de la planta, así como las pérdidas o consumo energético de la misma: Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 65 Figura 6.10 Comparación de los costes (€) para una planta PRO trabajando al 20% del caudal máximo Figura 6.11 Comparación de la energía consumida (GWh/yr) por una planta PRO trabajando al 20% del caudal máximo De los resultados obtenidos se puede comprobar que el hecho de aumentar el caudal de operación, al reducir las horas de funcionamiento de la planta PRO, eleva significativamente el precio del kWh si se compara con la operación a caudal mínimo durante todo el año, al trabajar con el caudal máximo sólo durante un mes. Aún así, el precio del kWh para el caudal mínimo sigue siendo muy elevado (0,76 €/kWh) en comparación con el precio de la energía en España. Otro dato a resaltar es el aumento del diámetro de las tuberías que habría que usar para la captación y la descarga de agua, pasando de tuberías con diámetros de entre 3-7 metros para el caudal mínimo, a 13-24 3325223500 787926762 920108347 1612851404 765010549 112859704 1 Cios Ctpt Cms Cland Cttg Cegc 3,63 17,91 10,60 137,73 1 Elios Ecpt Elb Etltg CASOS PRÁCTICOS 66 66 metros para el caudal máximo, lo cual resulta inviable. Una solución que se podría encontrar es usar varias torres de captación en lugar de una sola, lo que dividiría el caudal y reduciría el diámetro de las tuberías, pero conllevaría la construcción de más de una torre en el río Ebro y en el mar Mediterráneo. En cuanto a la obtención de energía neta, es interesante estudiar los resultados obtenidos, ya que los resultados de energía neta obtenidos para los caudales máximo y mínimo son casi iguales. Sin embargo, existe un máximo de energía neta si se opera con el caudal medio. Esto significa, que la relación entre el caudal de trabajo y la energía neta no es lineal. En cuanto a la comparación de los costes, se puede observar que cuando se opera con el caudal mínimo y medio del río los costes C ios (captación/descarga) y C tpt (pretratamiento) suponen más del 70% del coste total. Asimismo, el consumo de energía debido a la transmisión y generación de energía (E tltg ) supone el 80% del total, por lo que habría que estudiar qué variables se podrían modificar con el fin de disminuir dichos valores. Cabe destacar el caso del coste del terreno en relación con la variación de los caudales, ya que se observa claramente que aumenta conforme se aumenta el caudal del río, que pasa de ocupar el quinto lugar respecto del coste total, al trabajar con el caudal mínimo y medio, a ocupar el segundo lugar al operar con el caudal máximo del río. Por último, se puede resaltar que el coste total de la instalación de la planta PRO varía de un coste total de 7,5·10 8 para el caudal mínimo a un coste total de 7,5·10 9 para el caudal máximo. 6.3 Análisis de la planta PRO en función del sistema de captación y descarga. omo se ha visto en los apartados anteriores, el coste del sistema de captación y descarga de la planta PRO es el que tiene mayor impacto frente al coste total de capital. Este impacto puede verse en la figura 6.12, en la que se ha representado el precio del kWh en función de un hipotético diámetro de tubería, en la que se puede comprobar que existe un mínimo en el precio del kWh en función del mismo, en el entorno de 6,5 m con un precio muy elevado de la energía. C Análisis Técnico-Económico de una Instalación de Ósmosis Retardada por Presión (PRO) 67 Figura 6.12 Precio del kWh en función de las propiedades del sistema de captación (diámetro hipotético) Obviamente, las magnitudes de las tuberías que optimizan el sistema de captación y descarga hacen que el diseño de estos sistemas se considere un problema de Ingeniería Civil que queda fuera del alcance de este trabajo, al tenerse que considerar y estudiar alternativas de canalización de estas corrientes, para transportar y descargar el agua de la planta PRO. Con todo, con las hipótesis planteadas, en esta ubicación el precio de la energía obtenida en la planta estaría muy por encima (del orden de 10 veces) del precio ideal de la energía en España (OMIP, s.f.). y = 0,0072x2- 0,0947x + 1,0433 R² = 0,7936 0,7400 0,7900 0,8400 0,8900 0,9400 0,9900 1,0400 1,0900 0 2 4 6 8 10 12 Z €/kWh Diámetro m