Tesis doctoral de Baltasar Peñate Suarez
0 presentación la desalación de aguas para el suministro de agua potable es una solución tecnológica con un incesante incremento de su capacidad instalada en muchas regiones del mundo. Entre todas las tecnologías de desalación, la tecnología de ósmosis inversa es la más extendida internacionalmente. Es una tecnología completamente madura y está presente, sobre todo, en todas las áreas costeras del mundo con limitados recursos hidrológicos naturales desalando agua de mar. El proceso de ósmosis inversa comparte, junto con la destilación, casi el 100% del mercado internacional. En concreto, la desalación por ósmosis inversa cuenta con un 59% de la capacidad mundial instalada [ida, 2009]. La desalación de agua de mar por ósmosis inversa continuará siendo un nicho de rápido crecimiento en el mercado global de la desalación. en el mundo, las mayores capacidades instaladas se concentran en las áreas costeras, donde debido a la escasez o contaminación de los recursos naturales, la demanda turística y la agricultura intensiva han propiciado la búsqueda obligatoria de nuevos recursos hídricos. Las capacidades instaladas de plantas de desalación de agua de mar por ósmosis inversa recientemente muestran una tendencia hacia la construcción de grandes capacidades de producción de agua desalada con elevados rendimientos. En la actualidad, españa se ha convertido en el tercer país a nivel internacional en términos de capacidad total contratada. Sólo arabia saudí y los emiratos árabes unidos superan la capacidad de desalación contratada [ida, 2009]. usando el consumo específico de energía como un indicador clave en la tecnología de desalación, la desalación de agua de mar por ósmosis inversa se ha convertido, tras varias décadas, en la tecnología con mayor eficiencia. De consumir alrededor de 20 kwh/m3 a finales de los años 70 [fritzmann et al., 2006] se ha pasado a consumir, de manera optimizada, alrededor de 2,5 kwh/m3 sólo en el proceso de desalación en plantas de mediana y gran capacidad [stover, 2009][peñate et al., 2010]. Todo ello, gracias al desarrollo y puesta en servicio de membranas de ósmosis inversa más eficientes, el uso de sistemas de recuperación o ahorro de energía, la instalación de nuevos materiales que generan menos perdida de carga y el uso generalizado de variadores de velocidad en bombeos. Incluso, gracias a la aplicación de las más novedosas innovaciones y al uso de los equipos más eficientes, es posible bajar de los 2,0 kwh/m3 en plantas de mediana capacidad [dundorf et al., 2009][app, 2009]. como el agua, la energía es un recurso escaso en muchos países del mundo y se está convirtiendo en una fuente de inestabilidad en muchas regiones. Alrededor del 80% de la energía producida en el mundo proviene de recursos con elevada emisión de gases de efecto invernadero (carbón, petróleo, gas natural…) [Iea, 2009] que contribuyen, a su vez, a la contaminación y el calentamiento global del planeta. Desde este punto de vista, las fuentes de energía renovable se presentan como una alternativa más respetuosa con el medio ambiente. A pesar de ello, su importancia en el equilibrio global de energía es todavía muy pequeña. las investigaciones realizadas sobre el incremento de la eficiencia energética y el uso masivo de las energías renovables, están logrando resultados importantes y se espera que esta tecnología pueda reducir el estrés mundial de energía requerida, y en particular, apoyar energéticamente al ciclo de agua. De hecho, la mayoría de los países cuentan con alta potencialidad de usar fuentes de energía renovable, siendo ésta más representativa en áreas costeras. Se propicia de esta forma su aplicación a la desalación. en conclusión, y teniendo en cuenta que la tecnología de ósmosis inversa cuenta con el consumo de energía específico más reducido dentro del abanico de tecnologías existente, el acoplamiento de energías renovables con este proceso de desalación cuenta con un alto potencial de ofrecer una solución sostenible para aumentar los suministros de agua potable. dentro de este contexto general expuesto, esta memoria expone la situación actual de la tecnología de desalación de agua de mar por ósmosis inversa y estudia en detalle y con criterios termoeconómicos las principales innovaciones de ésta. Las innovaciones especialmente descritas, son aquellas que, a juicio del autor, permitirán contribuir a reducir todavía más el consumo de energía y a aumentar la eficiencia de las instalaciones en un corto-medio plazo. Por otro lado, esta memoria describe y calcula diseños innovadores de plantas de desalación de agua de mar, de mediana y gran escala, impulsadas por energías renovables. la presente memoria está estructurada en cuatro secciones, y a su vez en seis capítulos. La sección i aporta los principales objetivos del trabajo realizado, las contribuciones y describe, dentro del capítulo 1, el marco general de los análisis de las innovaciones que serán realizados en los posteriores capítulos. La sección ii está formada por los capítulos 2 y 3 y estudia la mezcla de distintos tipos de membranas de osmosis inversa en arrollamiento en espiral dentro de un mismo tubo de membranas (hybrid interstage design – hid, en terminología inglesa). Los capítulos 4 y 5 conforman la sección iii. Dentro de ésta se abordan las diversas actuaciones de mejora que se pueden realizar en instalaciones de desalación existentes con el objeto de sustituir los sistemas de recuperación de energía basados en turbinas pelton por sistemas más eficientes de ahorro de energía. Se realiza dentro de ésta un caso práctico. Para finalizar, la sección iv desarrolla en un capítulo el uso de aquellas energías renovables que pueden dar soporte a la desalación por ósmosis inversa para la mediana y gran escala. por capítulos, el primer capítulo se centra en la descripción de la tecnología de desalación de agua de mar por ósmosis inversa y su situación actual en el mercado internacional, con especial incidencia sobre los costos, las innovaciones y las tendencias futuras. Estas están focalizadas a mejorar el rendimiento del proceso y la eficacia de esta técnica para las grandes capacidades de desalación de agua de mar. Algunas de las innovaciones descritas son analizadas y estudiadas con más detalle en los capítulos posteriores. En general, la documentación de base proporcionada procede de la bibliografía revisada. Por otro lado, se hace mención especial a la utilización de las energías renovables como una innovación a medio plazo para la mediana y gran capacidad. éstas son capaces de generar la energía necesaria para hacer funcionar la tecnología cuando los combustibles fósiles, ya sea por sus elevados costes o por la intermitencia en su suministro, las hagan competitivas. los capítulos dos y tres evalúan profundamente la posibilidad de mezclar diferentes modelos de membranas de ósmosis inversa en un mismo tubo de presión de plantas de desalación de agua de mar. El capítulo dos describe y compara los diferentes diseños híbridos con diferentes marcas del mercado y explica las ventajas y desventajas de estos diseños en relación a la operación y mantenimiento, así como el ahorro en el costo de capital resultante. El capítulo tres desarrolla el análisis termoeconómico de esta innovación y propone criterios, hasta ahora no usados, para definir el diseño híbrido más eficiente. en el capítulo cuatro se aborda la posibilidad de optimizar energéticamente las plantas desaladoras de agua mar existente que cuentan con turbinas como sistema de recuperación de energía. Se presenta una breve descripción de la tecnología utilizada para recuperar la energía de la salmuera o ahorrar energía en plantas de desalación por ósmosis inversa, con una descripción de las posibles remodelaciones necesarias si el sistema de recuperación con turbinas pelton es reemplazado por sistemas basados en cámaras isobáricas. Todas las posibles mejoras son justificadas técnica y termoeconómicamente dentro de una evaluación exhaustiva. el capítulo cinco desarrolla una aplicación real de las innovaciones anteriormente explicadas. Describe en detalle y simula una hibridación de membranas y una sustitución de turbinas pelton para el caso concreto de la instalación de agua de mar lanzarote iv, situada en la isla de lanzarote (islas canarias). Esta planta desaladora de 30.000 m3/d de capacidad instalada cuenta con más de 8 años de operación y es gestionada por la empresa pública insular de aguas de lanzarote s.A. (Inalsa). Este capítulo permite comparar la situación actual de la instalación con el resultado de aplicar las propuestas de innovación anteriormente comentadas. Es un excelente ejemplo de propuesta de cambios en instalaciones existentes con el fin de reducir el consumo de energía del proceso, así como, obtener otra serie de ventajas de operación y mantenimiento, ahorro en costos de capital mediante el uso de membranas de última generación y el uso de equipos de alta eficiencia. por último, el diseño optimizado de dos posibles combinaciones de desalación de agua de mar por ósmosis inversa con energías renovables es realizado en el capítulo seis. Por un lado, se ha diseñado una planta desaladora autónoma de mediana capacidad de agua de mar conectada a un ciclo orgánico rankine de energía solar, caracterizado y optimizado éste último por delgado-torres y garcía-rodríguez (2007). Y por otro, se ha diseñado una planta desaladora de agua de mar aislada de capacidad variable y modo de operación escalonado que funciona con energía eólica. 1 objetivos existen numerosos avances tecnológicos e innovaciones que están tratando de mejorar el proceso de la desalación de agua de mar por ósmosis inversa. En concreto, todos persiguen reducir el consumo de energía del proceso, así como minimizar los efectos negativos de las incrustaciones sobre las membranas y fabricar membranas de arrollamiento en espiral con mayor flujo unitario por área de superficie. estas innovaciones afectan directamente sobre la configuración de las membranas y sobre la manera de dimensionar el módulo de desalación o bastidor principalmente. En definitiva, mejorar el diseño y la operación del proceso. Por otro lado, el uso de las energías renovables para la desalación a gran escala debe ser considerado como una tendencia muy innovadora. Los innumerables trabajos de investigación y experiencias realizadas o en curso para la pequeña escala atestiguan que su uso para la mediana o gran capacidad debe ser un hecho. dentro de este contexto, el objetivo general de este trabajo ha sido aplicar el análisis técnico y termoeconómico sobre destacadas innovaciones y tendencias que se están formulando dentro de la tecnología de la desalación de agua de mar por ósmosis inversa. en base a la propia experiencia y a la profunda revisión bibliográfica realizada, se plantean como objetivos específicos el identificar y analizar aquellos sectores de la tecnología en donde la aplicación de las innovaciones y tendencias fomenta una continua revolución tecnológica. En concreto, se identifican tres áreas prioritarias que cuentan con un alto potencial de ser mejoradas continuamente, gracias a la introducción de ciertas innovaciones: ¿ diseño del tubo de membranas (permeador): las innovaciones en esta área asegurarán obtener un mejor diseño de la unidad principal del proceso. Son innovaciones que promoverán mejoras en las membranas, sus características constructivas y dimensiones, así como la manera de ubicarlas dentro de un tubo de presión. ¿ modernización de plantas desaladoras existentes: estas mejoras afectarán principalmente a los elementos externos del tubo de membranas. Con éstas se lograrán reducir los consumos de energía gracias al uso de equipos de alta eficiencia, mejorar la calidad del agua, así como realizar pretratamientos del agua de alimentación más selectivos. ¿ aporte energético renovable: el uso de las energías renovables en plantas de desalación de agua de mar de mediana y alta capacidad por ósmosis inversa es un propósito de la comunidad internacional. Visto como una tendencia muy innovadora, es una alternativa energética en calidad y cantidad para el actual suministro de energía basado en combustibles fósiles. 2 contexto los trabajos relativos a esta memoria se desarrollan dentro de un doble contexto. por un lado, dentro de una vertiente académica, profesional y personal del doctorando, como: ¿ alumno de doctorado que obtuvo el diploma de estudios avanzados tras los periodos de docencia e investigación en el departamento de ingeniería de procesos de la universidad de las palmas de gran canaria dentro del programa de doctorado ingeniería ambiental y desalinización. ¿ investigador con amplia experiencia previa en campo en la desalación por ósmosis inversa y electrodiálisis reversible, dimensionado y ensayo de sistemas de ahorro de energía en plantas de ósmosis inversa de pequeña capacidad, y estudios, diseño, ensayo y optimización de sistemas de desalación accionados con energías renovables con patentes y trabajos de investigación en paralelo. ¿ interés del doctorando en conocer la potencialidad de la termoeconomía, sus aplicaciones y la utilidad de métodos que permitan establecer relaciones entre los parámetros energéticos de los procesos con el fin de conocer las consecuencias sobre el sistema tras modificarlos y evaluar sus costes y las posibles mejoras que puedan realizarse. y por otro, por participar como investigador en el marco de los proyectos powersol – mechanical power generation based on solar heat engines (fp6-inco2004-mpc3, 032344; internacional cooperation activities-inco programme periodo: 01/01/2007- 31/12/2009) y deredes – desarrollo de la desalación con energías renovables (fit-310200-2006/2007-175; programa profit, periodo: 01/01/06- 31/12/07). en particular, el proyecto powersol tiene como principal objetivo el desarrollo conceptual de una tecnología de generación de energía mecánica basada en energía solar térmica respetuosa con el medioambiente [garcía-rodríguez y blanco, 2007]. esta energía mecánica generada podría ser utilizada, ya sea para la generación de electricidad directa (utilizando un generador) o para la desalación de agua de mar o salobre, acoplando al mismo eje la bomba de alta presión del proceso de desalación. El sistema de generación de energía mecánica es impulsado por un sistema térmico solar basado en un ciclo orgánico rankine (sistema powersol) con una potencia de salida de entre 100 kw y 500 kw. El ciclo solar de rankine orgánico está optimizado para tres rangos diferentes de temperatura y para poder usar diferentes tecnologías de captación solar: captadores planos, concentradores solares parabólicos y concentradores tipo fresnel. el proyecto deredes plantea la identificación de las tecnologías de desalación combinadas con energías renovables más adecuadas atendiendo a criterios técnicos y económicos [deredes, 2007]. Dentro del alcance del proyecto se diseñan tres plantas precomerciales establecidas como las más adecuadas para tres escenarios con distintas características. Se consideran tanto la desalación de agua de mar como salobres, tanto en enclaves industrializados como en áreas aisladas de la red eléctrica convencional. 3 descripción de los principales estudios realizados en base a las tres grandes áreas de estudio identificadas anteriormente, a continuación, se resumen los estudios realizados en esta memoria: ¿ subsistema tubo de membranas (permeador): las membranas de última generación de ósmosis inversa cuentan entre sus características con un alto rechazo de sales, una baja demanda de energía (se trabaja a menos presión) y una alta productividad. Estos avances permiten obtener considerables reducciones tanto en el coste de capital como en la energía requerida en el proceso con diseños de tubos de membranas usando membranas de distintas características en el mismo tubo. La revisión de la literatura muestra que escasas plantas de ósmosis inversa de agua de mar usan diseños híbridos, posiblemente por la falta de estudios exhaustivos al respecto. en esta memoria se realiza la evaluación completa y el análisis termoeconómico del diseño innovador basado en la mezcla de distintos modelos de membranas en un mismo tubo de presión para la desalación de agua de mar. A su vez, se proponen criterios de diseño para diseñar combinaciones híbridas de alta eficiencia. ¿ subsistema bastidor de desalación en el caso de realizar remodelaciones: en las plantas desaladoras de agua de mar por ósmosis inversa la reducción del consumo de energía en el proceso de desalación es el aspecto que ha centrado la investigación científica y los esfuerzos de los técnicos y operarios. A la hora de querer reducir los consumos de energía en instalaciones existentes que cuentan con sistemas de recuperación de energía tipo turbina pelton, se presenta todo un reto tecnológico poco estudiado la remodelación de la planta mediante la instalación de los más eficientes dispositivos de ahorro de energía basados en cámaras isobáricas. esta posible modernización de plantas plantea diversas posibilidades que son abordadas exhaustivamente, de tal manera que, todas las combinaciones se justifican y comparan técnica y termoeconómicamente en esta memoria. por otro lado, se realiza el estudio de un caso práctico con una planta desaladora real, aplicando las propuestas de innovación anteriormente comentadas y comparando los resultados obtenidos con la situación actual de la instalación. ¿ aporte energético procedente de fuentes energéticas renovables: el uso de la energía eólica o solar fotovoltaica para alimentar sistemas aislados de desalación por ósmosis inversa es una opción que goza de un cierto éxito, pero sólo para pequeñas capacidades. Sin embargo, el uso de las anteriores tecnologías, y en adicción la tecnología solar térmica para la mediana o gran capacidad, apenas ha sido analizada y mucho menos experimentada en casos reales. la revisión bibliográfica identifica las dos combinaciones con más alto potencial que pueden hacer funcionar a una planta desaladora de agua de mar por ósmosis inversa de mediana capacidad. En base a ellas se plantea en esta memoria el diseño de dos casos prácticos innovadores. 4 metodología este trabajo se ha realizado, por un lado, mediante la aplicación de conocimientos técnicos y experiencia del doctorando para desarrollar aquellos aspectos relativos al estado del arte, estudio y diseño de la tecnología, y por otro aplicando la metodología de tratamiento termoeconómico de valero y lozano (1994) y haciendo uso de las principales conclusiones de romero-ternero (2003) y delgado-torres (2007). una parte específica relativa al diseño de los tubos de membranas de ósmosis inversa se realiza haciendo uso de herramientas informáticas de diseño propias de los fabricantes de membranas seleccionadas. La parte específica de diseño de las plantas desaladoras en su componente global (potencia de equipos, secciones de tuberías, sistemas de recuperación de energía basados en cámaras isobáricas) se realiza mediante hojas de cálculo específicamente diseñadas por el doctorando para este trabajo. los costes necesarios para realizar el análisis termoeconómico son aportados directamente por los suministradores de equipos, membranas o por el propio doctorando en base a su experiencia en el sector. la metodología seguida es aplicada por capítulos de la siguiente manera: ¿ capítulo 1: se realiza una profunda revisión bibliográfica que, junto a la experiencia del doctorando y conocimientos técnicos, permite desgranar cada una de las innovaciones y tendencias de futuro de la tecnología de desalación de agua de mar por ósmosis inversa. ¿ capítulo 2: el uso de las herramientas informáticas de los fabricantes de membranas de ósmosis inversa seleccionadas permiten la realización de los diseños híbridos propuestos. Estos diseños se eligen en base al conocimiento profundo del doctorando de la tecnología y de las características y rendimientos de las distintas marcas y modelos de membranas comerciales existentes. ¿ capítulo 3: se aplica la metodología de tratamiento termoeconómico de valero y lozano (1994) y se hace uso de las principales conclusiones de romero-ternero (2003) para realizar el análisis termoeconómico de los diseños híbridos de membranas anteriormente propuestos. ¿ capítulo 4: el conocimiento técnico de la tecnología de desalación por parte del doctorando, así como el uso de hojas de cálculo específicamente diseñadas, se utilizan para proponer y calcular las modificaciones de equipos en plantas desaladoras existentes. También se aplica la metodología de tratamiento termoeconómico de valero y lozano (1994) para comparar los distintos retrofit propuestos bajo criterios termoeconómicos. ¿ capítulo 5: a partir de los mejores diseños y simulaciones obtenidos en los capítulos dos, tres y cuatro, se simula una hibridación de membranas y una sustitución de turbinas pelton para el caso concreto de una instalación de desalación de agua de mar de 30.000 m3/d de capacidad situada en la isla de lanzarote (islas canarias). Este caso práctico se realiza haciendo uso del software de diseño del fabricante de membrana de ósmosis inversa seleccionada, así como, el uso de hojas de cálculo específicamente diseñadas por el doctorando para diseñar los equipos y calcular las potencias y secciones de tuberías. ¿ capítulo 6: el diseño de las dos posibles combinaciones de desalación de agua de mar por ósmosis inversa con energías renovables realizado en este capítulo es gracias a, por un lado, el uso del software de diseño del fabricante de membrana de ósmosis inversa seleccionada y los datos resultantes del ciclo orgánico rankine de energía solar diseñado por delgado-torres y garcía-rodríguez (2007). Y por otro, el uso de software de diseño del fabricante de membrana de ósmosis inversa seleccionada, así como, el uso de hojas de cálculo específicamente diseñadas por el doctorando para diseñar los equipos y calcular las potencias de una planta desaladora de agua de mar aislada de capacidad variable y modo de operación escalonado que funciona con energía eólica. 5 aportaciones de la tesis la contribución general de este trabajo ha sido aplicar el análisis técnico y termoeconómico a destacadas innovaciones y tendencias que se están introduciendo en la tecnología de desalación de agua de mar por ósmosis inversa. basándose en la experiencia propia y la revisión profunda de la bibliografía, se realiza un análisis exhaustivo en aquellas áreas prioritarias comentadas anteriormente de la tecnología de desalación donde la aplicación de ciertas innovaciones alienta a una revolución tecnológica continua. en resumen, las aportaciones principales de esta tesis son: ¿ diseño del tubo de membranas (permeador): 1. Se realiza por primera vez un estudio del diseño híbrido de membranas (hid) en un tubo de presión de siete elementos para plantas convencionales de agua de mar por ósmosis inversa de agua de mar que compara las tres empresas líderes en tecnología de membranas (filmtec, hydranautics y toray). 2. Se realiza por primera vez y aportan criterios de diseño del hid para membranas de las marcas hydranautics y toray. 3. Es optimizado el hid para membranas de la marca filmtec y se aportan nuevas propuestas de hid para esta marca. 4. Se cuantifican las mejoras que ofrecen el hid en comparación con el diseño del tubo estándar de presión para cada fabricante de membranas. 5. La aplicación del análisis termoeconómico ha permitido establecer, por primera vez, criterios de diseño y selección de marcas de membranas para el hid. 7. Los análisis han permitido preevaluar nuevas innovaciones dentro de la unidad tubo de presión. 8. Los estudios realizados han permitido proponer (y se establece para futuros análisis) el estudio del hid reversible con el fin de alargar la vida de las membranas que se colocan en cabecera del permeador. ¿ modernización de plantas desaladoras existentes: 1. Se han comparado técnica y termoeconómicamente cinco alternativas diferentes de modernización (retrofit) de plantas desaladoras de agua de mar por ósmosis inversa que en la actualidad cuentan con turbina pelton como sistema de recuperación de energía. 2. Se proporcionan resultados diferentes para condiciones de contorno diferentes, propias de cada instalación – condiciones restrictivas, requisitos de área adicional, modificaciones hidráulicas y eléctricas e inversión necesaria. 3. Se proporcionan diferentes retrofits para diferentes objetivos del gestor de la instalación – menos consumo de energía frente a mayor producción de agua desalada – . 4. Se ha aplicado por primera vez el análisis termoeconómico para el caso de las remodelaciones de plantas existentes. Con este análisis ha sido posible comparar y clasificar cuatro de los retrofits propuestos. 5. Se aporta un nuevo diseño de retrofit que no cuenta con referencias en la bibliografía. Este diseño evita sustanciales modificaciones eléctricas en la media tensión debido a la necesidad de aumentar la potencia del motor de la bomba de alta presión. Por otro lado, evita el cambio del cableado eléctrico y protecciones eléctricas existentes. 6. Todos los resultados analizados, incluidos los relativos al hid, se han aplicado en un caso práctico. Se ha desarrollado una detallada metodología de diseño para el retrofit de la planta de desalación de agua de mar lanzarote iv de 30.000 m3/d de capacidad, comparándose la situación actual con las propuestas de innovación tras ser aplicadas. 7. Se pone de manifiesto la necesidad de confeccionar herramientas de toma de decisiones técnicas que podrían aumentar el mercado de la modernización de plantas de desalación existentes. En concreto, se han identificados las siguientes necesidades: un software de diseño para el gestor de la explotación y un software de diseño de dispositivos de recuperación de energía estándar. ¿ aporte energético procedente de fuentes energéticas renovables: 1. Son identificadas de la bibliografía revisada dos potenciales usos de energías renovables innovadores y que pueden ser conectadas a una planta de desalación de mediana o gran capacidad de agua de mar por ósmosis inversa. 2. A partir de los resultados de las áreas anteriormente estudiadas, se han realizado dos diseños innovadores de desalación con energía renovable: i. Por una parte, se ha diseñado una desaladora autónoma de 2.500 m3/d de capacidad cuyo aporte energético proviene exclusivamente de energía solar mediante dos ciclos orgánicos rankine propuestos de alta eficiencia. ii. Por otra, se diseñan y comparan dos plantas desaladoras aisladas de 1.000 m3/d, una de ellas de capacidad fija y la otra de capacidad escalonada, accionadas exclusivamente por energía eólica. 3. En general, se aportan recomendaciones relativas a la tecnología de control de potencia del sistema de generación de energía renovable. de este trabajo se obtienen los siguientes resultados para ser publicados: 1. Peñate, b. And garcía-rodríguez, l. Hybrid reverse osmosis membrane interstage design: a comparative performance assessment. Desalination. Presentado, pendiente de aceptación (abril 2010). 2. Peñate, b. And garcía-rodríguez, l. Hybrid reverse osmosis membrane interstage design: thermoeconomic analysis. Desalination. Por presentar (junio 2010). 3. Peñate, b. And garcía-rodríguez, l. Energy optimisation of existing seawater reverse osmosis plants with energy recovery turbines: technical and thermoeconomic assessment. Energy journal. Presentado, pendiente de aceptación (abril 2010). 4. Peñate, b. And garcía-rodríguez, l. Lanzarote iv seawater reverse osmosis plant retrofit assessment. Desalination. Presentado, pendiente de aceptación (abril 2010). 5. Peñate, b. And garcía-rodríguez, l. Seawater reverse osmosis desalination driven by a solar organic rankine cycle: design and technology assessment for medium capacity range. Solar energy journal. Presentado, pendiente de aceptación (abril 2010). 6. Peñate, b. And garcía-rodríguez, l. Assessment of current trends and future prospects of seawater reverse osmosis desalination. Water research journal. Por presentar (junio 2010). 7. Peñate, b., Castellano, f., Bello, a. And garcía-rodríguez, l. Assessment of a stand-alone gradual capacity reverse osmosis desalination plant to adapt to wind power availability: a case study. Desalination. Por presentar (julio 2010). 8. García-rodríguez, l. And peñate, b. Innovative design of seawater reverse osmosis desalination plant driven by a hybrid solar-thermal/wind system. Solar energy journal. Por presentar (julio 2010). 6 resumen de conclusiones y recomendaciones extraídas de las conclusiones y recomendaciones del trabajo realizado, se enumeran a continuación sólo las más destacadas: primera.- La tecnología de ósmosis inversa para la desalación de agua de mar es una tecnología totalmente madura que se encuentra presente en multitud de escalas en todas las áreas costeras del mundo con limitados recursos hidráulicos naturales. Su fuerte penetración en el mercado y el potencial uso de la misma, hace que sobre esta tecnología se esté llevando a cabo un importante esfuerzo investigador y que la aplicación de numerosas innovaciones esté posibilitando la mejora continua del proceso. En particular, destacan aquellas innovaciones que permiten reducir el consumo de energía del proceso, así como las que minimizan los efectos negativos de incrustaciones sobre las membranas y las que obtienen de éstas los mayores ratios de producción unitaria. La introducción de estas mejoras modifica la manera de diseñar los tubos de membranas y, en consecuencia, del bastidor de ósmosis inversa. En concreto, las innovaciones tecnológicas que requieren un análisis exhaustivo son, la hibridación de elementos dentro de un mismo tubo de membranas y la posibilidad de reducir los consumos energéticos o aumentar la producción de agua desalada en instalaciones existentes que cuentan con turbinas pelton. segunda.- Partiendo del concepto de que desalar con energías renovables a gran escala es una innovación tecnológica muy atractiva en muchas regiones del mundo con el objeto de obtener una alternativa a los combustibles fósiles, el uso de estas energías para la mediana y gran capacidad de desalación debe ser estudiado en profundidad y ensayado en condiciones reales. Se ha analizado las posibles combinaciones para estas escalas de desalación de agua de mar, siendo los acoplamientos con energía eólica o con energía solar mediante un ciclo orgánico rankine las combinaciones que presentan mayores ventajas a corto plazo. tercera.- Las membranas de última generación de arrollamiento en espiral presentan una serie de recientes innovaciones – alto rechazo, una baja demanda energética y una alta productividad -, que permiten promover diseños híbridos de membranas dentro de un mismo tubo de presión. Estos diseños innovadores están reduciendo considerablemente los consumos de energía, así como obteniendo ahorros económicos en las instalaciones. Los resultados técnicos y termoeconómicos obtenidos confirman que la hibridación más adecuada consiste en la colocación de los elementos de alto rechazo en las primera posiciones del tubo (1ª y 2ª) y los elementos de bajo requerimiento energético, alta productividad en el resto de posiciones. Comparativamente con un tubo de presión estándar, es decir, con todas las membranas idénticas, se obtiene un flujo unitario por elemento más balanceado a lo largo del tubo, recudiéndose de esta manera el ensuciamiento en los primeros elementos e incrementándose la producción total por tubo. Se obtiene un aumento en la conversión superior al 6%, que traducido en reducción de membranas y tubos de presión necesarios por bastidor equivale a un ahorro económico entre el 5 y el 8%. cuarta.- Del análisis termoeconómico realizado, ¿ se recomienda no diseñar un tubo de membranas estándar sólo con elementos de bajo requerimiento energético. ¿ en un diseño híbrido, la posición óptima de una membrana de alto rechazo sería la primera posición. Estos elementos usan la exergía del fuel mejor que los elementos de bajo requerimiento energético sólo en esa posición del tubo. Las ventajas termoeconómicas de un elemento de bajo requerimiento energético se aprecian en las posiciones intermediadas del tubo. ¿ comparativamente, las tres marcas de membranas analizadas permiten la hibridación de elementos pero se identifica que determinadas membranas r
Datos académicos de la tesis doctoral «Thermoeconomic assessment of innovations in seawater reverse osmosis plants«
- Título de la tesis: Thermoeconomic assessment of innovations in seawater reverse osmosis plants
- Autor: Baltasar Peñate Suarez
- Universidad: Sevilla
- Fecha de lectura de la tesis: 23/07/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Lourdes Garcia Rodriguez
- Tribunal
- Presidente del tribunal: alfonso m. Gañán calvo
- José Jaime Sadhwani alonso (vocal)
- Carlos Gómez camacho (vocal)
- José María Veza iglesias (vocal)