DESALACION TERMO SOLAR by ROCHA DISEÑOS

Índice Capítulo 1 Introducción ...................................... 4 Capítulo 2 Antecedentes Generales .................

Capítulo 3 Proceso de desalinización y el consumo de energía ....................... 22 Capítulo 4 Desalinización utilizando energías renovables ....................................... 30 Capítulo 5 Costos del proceso de desalinización acoplada a energías renovables ....................... 40 Capítulo 6 Impacto ambiental generado por los procesos de desalinización ............. 44

Capítulo 1

Introducción 4

ejemplo, vía camiones aljibes, son considerablemente más altos respecto del costo de abastecimiento de la red sanitaria urbana, desde el punto de vista de la operación, además de generar dependencia de agentes externos que pueden tener imprevistos e interrumpir el abastecimiento continúo.

La Región de Antofagasta cuenta con características ambientales y geográficas únicas, en la zona litoral se presenta un clima desértico costero, mientras que en la depresión intermedia, se observa un clima desértico normal con una elevada oscilación térmica diaria, mientras que sobrepasando los 300 metros de altitud, se dan condiciones propias de climas desértico marginal de altura, sumado a la baja pluviometría presente en toda la región (5 mm/año como media), la convierten en una de las zonas más áridas del planeta.

La descripción anterior, permite evaluar alternativas que ayuden a que estas comunidades alcancen un grado elevado de sostenibilidad y autonomía respecto del recurso hídrico, mediante sistemas que aprovechan las condiciones ambientales para producir, en forma eficiente, agua con las características que permitan su consumo en forma segura por parte de la población. Este desarrollo llamado desalación termosolar cumple con esta premisa, ya que utiliza dos recursos, la radiación solar y el agua de mar, disponible prácticamente sin limitaciones, en lo que respecta al acceso, y que sumado a las tecnologías de concentración de la radiación solar y la tecnología de evaporación térmica acoplado a un sistema de condensación, permiten producir agua ya sea para consumo humano u otros usos. Este trabajo está enfocado en el desarrollo de la técnica mencionada, como medio de abastecimiento de agua para comunidades rurales localizadas en litoral de la Región de Antofagasta, las cuales fundamentalmente tiene como actividades productivas principales la pesca artesanal, el turismo y gastronomía, promoviendo su autonomía y sostenibilidad.

Por otra parte, la gran actividad industrial desarrollada en la región ha hecho que los reservorios naturales se encuentren en un estado de estrés permanente, debido a la baja tasa de recarga de los acuíferos. Esta condición ha provocado ciertas discrepancias entre la industria, los servicios estatales y privados, que deben garantizar el abastecimiento de la población. La Región de Antofagasta abarca una extensa área (126.049 km²), lo que ha generado zonas pobladas con acceso limitado a servicios sanitarios, ya sea de abastecimiento como para el tratamiento de aguas residuales. A nivel del litoral y en la alta cordillera, se encuentran un número amplio de comunidades que debido a su localización dependen exclusivamente de agentes externos para sustentar sus actividades productivas y las necesidades básicas de consumo. Por lo general, los costos asociados al abastecimiento, por

CapĂtulo 2

Antecedentes Generales 6

La explotación de los recursos naturales es de vital importancia para el crecimiento económico de nuestro país, siendo el recurso hídrico un elemento fundamental que abastece los distintos sectores, sin embargo, en zonas áridas de nuestro país la oferta de este recurso se ve limitada debido a su poca accesibilidad y escasez.

tecnologías son mucho más bajos que los procesos convencionales y por lo tanto más accesibles para muchos países. En la región de Antofagasta, existe escases del recurso hídrico y a su vez altos niveles de radiación solar, los cuales pueden ser utilizados para la aplicación de la tecnología de desalación solar en las localidades más aisladas que carezcan de este recurso. Sin embargo, este método no es nuevo para nuestra región, debido a que existen datos históricos sobre la construcción de la primera gran planta de destilación solar en 1874, ubicada en el desierto de Atacama, la cual proporcionaba agua fresca a trabajadores de una mina de salitre y plata, las cuales se encontraban cercanas al lugar. La planta fue confeccionada por el sueco Charles Wilson y fue diseñada de madera y vigas cubierta con una lámina de vidrio, la cual trataba agua salobre desde los pozos cercanos, los cuales contenían una salinidad de aproximadamente 14.000 ppm (Avvannavar et al., 2008).

El aumento del consumo de agua dulce debido al crecimiento industrial y de la población entre otros ha provocado un aumento en el consumo de energía, dando como resultado la sobreexplotación de recursos no renovables como los combustibles fósiles, provocando como consecuencia una contaminación del medio ambiente (Chaibi, 2000). La utilización de la energía solar como fuente de energía alternativa para proporcionar agua potable a partir del proceso de desalinización es una solución viable para zonas remotas, rurales o regiones áridas donde existe un gran potencial de energía solar y una escases del recurso hídrico, especialmente si los recursos económicos son escasos para poder solventar los procesos de desalinización convencionales, los cuales utilizan una gran cantidad de energía, implicando altos costos de inversión y producción, que no todos los países pueden solventar.

2.1 Producción y distribución de agua potable en la región de Antofagasta Actualmente, la producción y distribución del agua potable urbana en la región de Antofagasta es gestionada por la empresa concesionaria Aguas de Antofagasta S.A., la cual es regulada por la Superintendencia de Servicios Sanitarios (SISS). Dicha empresa abastece al 100% de la población residencial urbana de la Región (Equivalente a 145.390 clientes al año 2012, ver tabla 2.1).

La desalinización solar del agua se basa en el proceso de evaporación y condensación de agua, muy similar al ciclo natural del recurso hídrico, sin embargo, no tienen la misma eficiencia que los procesos convencionales, ya que depende de parámetros ambientales, diseño y operación del proceso. Los costos de este tipo de

Tabla 2.1. Clasificación de la cantidad de clientes abastecidos por tipo de inmuebles y tipo de servicio (año 2011).

Clientes según inmueble Total Clientes 150.646

Residencial Comercial

145.390

4.384

Clientes por tipo de servicio

Industrial

Otros

Solo Agua Potable

Solo Alcantarillado

Ambos

252

620

525

150.120

El agua para consumo urbano (residencial, industrial, comercial y otros) se extrae de tres captaciones superficiales Lequena, Toconce y Quinchamale), en donde la mezcla de agua cruda tiene un contenido de arsénico entre 0,4 - 0,5 ppm, valor por sobre la normativa de arsénico para agua potable (<0,01 ppm, año 2005). Por lo que, dicha agua requiere un tratamiento para remover el arsénico y así alcanzar la normativa NCh409. Para ello, Aguas Antofagasta S.A. consta de tres Plantas de Filtros que utilizan cloruro férrico para la adsorción del arsénico. Una de ella, se localiza en Cerro Topater en Calama, para el abastecimiento de las comunas de Calama, María Elena y Tocopilla y las otras dos Plantas, se localizan en el kilómetro-12 en Antofagasta, para el abastecimiento de las comunas de Mejillones y Antofagasta.

que nos encontremos. Estas variaciones se deben a las distintas posiciones de la tierra sobre su órbita alrededor del sol y de la posición del eje respecto del plano de la órbita.

En lo respecta a la zona litoral, dada la escasez y las altas concentraciones de arsénico del agua cruda, el abastecimiento de agua potable se está reemplazando con agua de mar, previa desalinización por osmosis inversa. Sin embargo, en lo que respecta al sector rural localizado en la costa, el abastecimiento por lo general se hace mediante camiones aljibes, lo que implica un alto costo de distribución. En el decreto supremo de N°337/04 se identifican 11 localidades presentes en el litoral, denominadas “Caletas”, las cuales son abastecidas mediante externos en forma periódica.

• Radiación directa: radiación que llega a la superficie terrestre después de haber sido debilitada por los efectos de dispersión y absorción de la atmósfera. La absorción de la radiación es causada por los gases presentes en la atmosfera, los cuales son proporcionales a la cantidad de radiación que llega a un determinado lugar en la atmósfera, mientras que los efectos de dispersión por moléculas y aerosoles logran interactuar con la luz visible y disiparlas en distintas longitudes de onda, logrando dispersar la trayectoria de los fotones que chocan con las moléculas de aire (Molina y Rondanelli, 2012).

La energía generada por el sol al momento de tener contacto con la atmósfera terrestre es absorbida, reflejada y dispersada por las nubes, partículas y moléculas que la componen, influenciando de esta manera la cantidad de radiación que llega a la superficie del planeta, dependiendo de la composición de la atmósfera en cada punto y en cada momento. La interacción recibida por la tierra después de la interacción radiación-atmósfera puede clasificarse de la siguiente manera (ver figura 2.1a):

2.2 Recurso Solar • Radiación difusa: este tipo de radiación es dispersada por la atmosfera llegando a la superficie terrestre en forma de reflejo desde todo el cielo visible. Este tipo de efecto lo pueden generar las nubes, las cuales dependiendo de su estado (sólido o líquido) son las que principalmente interactúan con la radiación solar, pudiendo reflejar y absorber la radiación solar incidente (Molina y Rondanelli, 2012).

El sol es la principal fuente de energía para el planeta. La superficie de la tierra, suelos y océanos, incluyendo la atmosfera, son capaces de absorber la energía generada por el sol, re irradiándola en forma de calor en todas las direcciones. La radiación solar que es recibida por la tierra, antes de ingresar a la atmósfera, tiene un valor promedio de 1,366 W/m² (Explorador solar para autoconsumo, 2016), una vez que ingresa a la atmósfera esta energía es adsorbida, reflejada y dispersada por las nubes, llegando de distintas maneras a la superficie de la tierra, dependiendo del lugar y la época del año en

La radiación normal directa se define como la radiación que es recibida sobre una superficie perpendicular a los rayos provenientes del sol. Es necesario que esta superficie receptora se mueva en dirección este-oeste, siguiendo constantemente la posición del sol para

Figura 2.1. a) Esquema de la radiación directa y difusa que llegan a la superficie de la tierra y b) Esquema de las radiaciones normal directa y normal horizontal, dependiendo de la posición del receptor (Molina y Rondanelli, 2012). Usualmente se basa en la absorción de la radiación por medio de termocuplas, transformando el calor en voltaje eléctrico proporcional a la radiación (Schimidt, 2012).

lograr recibirla durante todo el día. Por el contrario, si la superficie receptora esta en ángulo horizontal (perpendicular al radio de la tierra) se denomina radiación horizontal (ver figura 2.1b). Por lo general, para poder recolectar la energía solar se intenta encontrar un ángulo de inclinación sobre la superficie que no esté en movimiento, para optimizar la cantidad de radiación recibida por un determinado periodo.

La medición de la radiación solar también puede ser estimada por imágenes satelitales, mediante distintos modelos de estimativa derivados de la reflectancia observada en su canal VIS (detector de radiación visible) (Ceballos et. al., 2005). Los satélites responsables de crear estas imágenes se denominan GOES (Satélites Ambientales Geoestacionarios) y son los siguientes:

2.3 Medición de la radiación solar Para la correcta planificación, diseño e implementación de un proyecto con aplicación de energía solar, se debe realizar un estudio del potencial energético que se genera en el área destinada para su construcción.

• • • • •

Para grandes regiones espaciales, la medición de la radiación solar se realiza por medio de estaciones terrestres utilizando un Piranómetro con el cual se obtienen datos discretos que luego son interpolados, mientras que para medir la radiación sobre la superficie terrestre se utilizan los datos procesados de los satélites el cual utiliza modelos de transferencia radiativa (Ortega et al., 2010).

GOES E y GOES W GMS GOMS INSAT METEOSAT

Los satélites se encuentran ubicados en un punto fijo del ecuador, situada a una altura cercana a los 35.800 km y permite la observación continua de un espacio geográfico durante las 24 horas del día. Por ejemplo, el satélite GOES y METEOSAT transmiten en un periodo de 30 minutos las imágenes, pero con diferente resolución espacial con 1 y 2.5 km respectivamente Ceballos et al., 2005).

Los piranómetros son sensores que miden la radiación que proviene del sol, con un rango de captura que incluye la radiación del espectro solar entre el ultravioleta y el infrarrojo cercano, entre 0.3 y 3 µm. 9

Estos satélites geoestacionarios fueron desarrollados por la National Aeronautic and Space Administration (NASA), pero cuando se encuentran en órbita su manejo diario pasa a la National Oceanic and Armospheric Administration (NOAA).

de ambas técnicas podría bajar estos niveles de incertidumbre, utilizando los datos registrado por lo satélites para lograr una amplia cobertura del terreno a estudiar y al mismo tiempo, realizar seguimientos y validación de estos datos utilizando las estaciones terrestres. Según la literatura, para obtener un nivel de incertidumbre del 5%, se necesita un mínimo de 8 años de datos consecutivos (Pitz-Pall et al., 2007).

Las estimaciones realizadas por piranómetros y satélites cuentan con distintos niveles de incertidumbre debido al método que se utiliza para cada una de ellas, en el caso de mediciones realizadas por Piranómetros, suelen tener valores de incertidumbre más bajos que los valores obtenidos mediante satélites, siempre y cuando la distancia entre estaciones terrestres sea mayor a 35 km (Perez et al., 1997). Una combinación

En el año 2009, nuestro país contaba con 18 estaciones meteorológicas capaces de medir la radiación solar por medio de piranómetros instalados en las principales regiones climáticas (ver tabla 2.2), encontrándose la mitad de ellas fuera de servicio, mientras que las

Tabla 2.2 Ubicación y periodo de funcionamiento de las distintas estaciones terrestres que utilizan piranómetros para la medición de radiación solar (Ortega et. al., 2010).

Estación

Latitud

Periodo de registro

Arica

18°21

Diciembre 1995 hasta Mayo 2002 / Noviembre 2006 hasta la fecha

Calama

22°29

Enero 1996 hasta Diciembre 1999 / Octubre 2004 hasta la fecha

Antofagasta

23°26

Enero 1988 hasta la fecha

Copiapó

27°18

Enero 1988 hasta Octubre 2003

Atacama

27°15

Julio 2006 hasta la fecha

Vallenar

28°35

Enero 1988 hasta Octubre 2003

Pudahuel

33°23

Enero 1988 hasta Diciembre 2005

Quinta Normal

33°26

Enero 2006 hasta la fecha

Hidango

34°06

Enero 1989 hasta Marzo 2004

Curicó

34°58

Septiembre 1995 hasta 2007

Cauquenes

35°58

Enero 1990 hasta 2001

Concepción

36°46

Enero 1992 Hasta la fecha

Los Ángeles

37°24°

Enero 1996 hasta Diciembre 2001

Temuco

38°45

Enero 19 hasta Diciembre 2001

Puerto Montt

41°25

Enero 1995 hasta la fecha

Chaitén

42°55

Enero 1996 hasta Mayo 2001

Coyhaique

45°35

Marzo 1989 hasta la fecha

Punta Arenas

53°00

Enero 1998 hasta la fecha 10

potencias de energía solar en el mundo, sumado a que cuenta con 2.700 horas de sol al año y registra una radiación directa norma (DNI) sobre los 3.000 KWh/m²/ año, sumado a una gran cantidad de área en terrenos planos, favoreciendo el desarrollo de proyectos que utilizan este tipo de energías, las cuales son una verdadera alternativa para lograr disminuir el consumo de combustibles fósiles y así reducir las emisiones de CO² que se generaran actualmente por su combustión.

otras 9 se encontraban activas y con registro de datos hasta la fecha. Algunas de las estaciones activas no obtuvieron datos en determinados periodos de tiempo, como la ubicada en la región de Arica, mientras que otras cuentan con una gran acumulación de datos continuos como es el caso de la región de Antofagasta (Ortega et al., 2010). 2.4 Radiación solar en la Región de Antofagasta

El desierto de Atacama es uno de los más áridos del mundo y cuenta con la irradiación solar incidente más alta del mundo (ver figura 2.2), después de la zona de Marigat, Kenia, alcanzando un promedio de 7.15 kWh/ m² y 7.48 kWh/m² en superficies horizontales. A lo anterior se le agrega la existencia de un 90% de días despejados en todo el año, lo cual garantiza más de 2,700 horas de sol en el año.

La región de Antofagasta se alimenta actualmente mediante el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING), el cual cuenta con 5 centrales termoeléctricas en mejillones y 3 centrales en Tocopilla. El consumo total de energía durante el año 2014 fue de 13,337 GWh, del cual el 85% corresponde al sector minero. La región es la principal generadora de energía en el país, produciendo alrededor de 16,834 GWh, si bien, la industria minera consume un porcentaje bastante elevado de la energía generada, aun así, la región es considerada una generadora neta, debido a que consume en total solo un 79% de lo que genera. La responsable de la distribución de la energía eléctrica es la empresa Elecda S.A.

En la tabla 2.3 se muestran los desiertos con mayor radiación solar en el mundo y el área que se requiere para la generación de 3 TW de energía. Como se puede observar, el desierto de Atacama destaca por ser una de las zonas donde existe menor superficie e inversión para lograr generar una unidad de energía.

Una de las mayores características de la región de Antofagasta, es que posee una de las mayores World map of global horizontal irradiation

Figura 2.2. Mapa solar de radiación global horizontal (Fuente: SolarGis). 11

Tabla 2.3. Desiertos con el mayor índice de radiación solar en el mundo (Bishop y Rossow, 1991).

Ubicación / Desierto

Km² para generar 3 TW

África, Sahara

260

144.2

Australia, Great Sandy

265

141.5

Medio Oriente, Arábigo

270

138.9

Chile, Atacama

275

136.4

EE.UU., Great Basin

220

170.5

Como se aprecia en la figura 2.3, el lugar que presenta mayor radiación solar en nuestro país (color rojo oscuro) corresponde a la zona norte con un promedio aproximado de 225 W/m². En consecuencia, a lo anterior, se destaca el gran potencial en cuanto al desarrollo de energía solar en el norte de Chile, específicamente la región de Antofagasta. 2.5 Desalinización La desalinización es una de las primeras técnicas utilizadas en el mundo para el tratamiento de agua salobre, convirtiéndose actualmente en unas de las soluciones más populares para la problemática de la escasez de agua dulce. Es un proceso que también ocurre en la naturaleza cuando la radiación solar es absorbida por el mar, produciendo la evaporación del agua la cual se eleva por encima de la superficie y es arrastrada por el viento. Cuando este vapor es enfriado hasta su punto de rocío se condensa, produciéndose la formación de agua dulce que cae como lluvia. Este es el mismo principio que se utiliza para los distintos procesos de destilación artificial que utilizan fuentes alternativas de calefacción y refrigeración (Qiblawey y Banat, 2008). Actualmente, la obtención de agua de potable a partir de agua de mar se realiza por medio de diversas tecnologías de desalinización que utilizan energía a partir de combustibles fósiles, como por ejemplo: osmosis inversa, electrodiálisis, el ozono, UV y compresión a vapor (Sampathkumar et al., 2010). Sin embargo, las técnicas mencionadas incurren en un elevado costo sumado a la emisión de contaminantes hacia el medio ambiente, el cual es posible de solventar solo en las grandes ciudades.

Figura 2.3. Medidas de la suma anual de irradiación global horizontal de Chile, para el periodo 1999-2013 (Fuente: SolarGis). 12

Procesos de Desalación

Principales Procesos

Procesos Térmicos

Procesos Alternativos

Congelación

Membranas

Destilación Instantánea de Múltiples Estapas (MSF)

Intercambio Iónico

Destilación de Efectos Múltiples (MED)

Osmosis Inversa (RO)

Evaporador por Compresión de Vapor (VC)

Electrodiálisis (ED)

Co-generación

Destilación por Membranas

Desalación de Energías Renovables

Figura 2.4. Clasificación de los procesos de desalinización de agua (Shatat y Riffat, 2012).

2.6 Tecnologías de Desalinización Existen diversas tecnologías de desalación, pero las más utilizadas se pueden clasificar en procesos térmicos de cambio de fase y procesos de membranas. Como se puede observar en la figura 2.4, existe una gran variedad de métodos distintos, entre ellos los más utilizados son la osmosis inversa, destilación multietapas flash y destilación multi-efectos los cuales son utilizados a nivel industrial (Khawaji et al., 2008). También existen técnicas alternativas que no son utilizadas con mucha frecuencia, como congelación e intercambio iónico.

Híbrido 1% Otros 2% ED 3% RO 63%

MED 8%

Capacidad Instalada 74,8 millones m3/día

MSF 23%

Figura 2.5. Capacidad de las distintas plantas desalinizadoras instaladas a nivel mundial (Global Water Intelligence, 2013).

A nivel global, las tecnologías de membranas más utilizadas son la osmosis inversa (RO) con un 63%, destilación flash multietapas (MSF) con un 23%, destilación múltiples efectos (MED) con el 8% y 13

Figura 2.6. Diagrama esquemático del proceso de osmosis y osmosis inversa (Karaghouli, et al., 2013) electrodiálisis con un 3%, como puede observarse en la figura 2.5 (Global Water Intelligence, 2013). Sin embargo, existen procesos menos convencionales, como es la compresión de vapor, ya sea mecánico o térmico (MVC, TVC), osmosis inducida (FO), desionización capacitiva (CDI), congelación, humidificación/ deshumidificación (HDH) y la destilación solar (Eltawil et. al., 2009).

lograr este aumento de presión se requiere un gran gasto energético, el cual fluctúa entre 4 y 8 kWh/m³ para agua de mar, y entre 2 y 3 kWh/m³ para agua salobre.

2.6.1.Desalinización por membranas

• Debido a las condiciones ambientales, existe menor probabilidad de corrosión en comparación con los procesos MSF y MED.

Ventajas y desventajas del proceso RO (Buros, 2000; Water Desalination Technologies in the ESCWA, 2001):

Esta tecnología logra producir agua dulce por medio de dos aguas con concentraciones diferentes, mediante membranas semipermeables. Se pueden encontrar una variedad de métodos que utilizan este sistema, si bien el principio es el mismo, la principal diferencia radica en el tamaño de moléculas, iones y partículas suspendidas presentes en la solución a tratar. Algunos de estos procesos son los siguientes:

• Reducción en los costos de operación durante la última década, aumentando la eficiencia en la fabricación de membranas a un bajo costo y el uso de dispositivos mecánicos que son capaces de convertir una diferencia de presión en energía rotativa reduciendo los costos energéticos.

2.6.1.1. Osmosis inversa (RO)

• Requiere de una gran cantidad de agua de mar o salobre para ser suministrada al proceso, ya que solo se recuperan entre el 5 y 15%. En el caso de agua de mar, por cada 5 galones de agua tratada, se genera entre 40-90 galones de agua de rechazo.

Actualmente, es una de las técnicas más utilizadas a nivel mundial, el proceso se basa en revertir la presión osmótica mediante la aplicación de una presión mayor a la presión osmótica del agua a desalar (ver figura 2.6). Así el agua atraviesa la membrana semipermeable de forma inversa a lo natural, dejando las sales del otro lado con una alta concentración (khawaii et al., 2008). El agua de mar debe pasar por pre tratamientos para reducir sólidos en suspensión y la adición de cloro para controlar las bacterias, y así proteger y prolongar la vida útil de las membranas, que en este tipo de desalinización es uno de los mayores problemas. Para

• Debido al tipo de membranas que se utilizan, es necesario realizar un pre filtrado del agua de alimentación (5-10 mm). 2.6.1.2. Electrodiálisis (ED) La mayoría de las sales disueltas en el agua se encuentran ionizadas, al aplicar una diferencia de

potencial eléctrico se puede lograr su separación mediante la utilización de membranas de intercambio iónico que se encuentran cargadas eléctricamente. Este tipo de membranas son elaboradas para permitir el paso selectivo de cationes o aniones (Shatat y Riffat, 2012).

mientras los aniones se desplazarán hacia los ánodos. La celda dispone entre ambos electrodos una membrana selectiva, donde la migración de Na+ y Clse produce de tal forma que en la parte media de la celda se depositará el agua desalinizada. Ventajas y desventajas del proceso ED (Buros, 2000; Kalogirou, 2005): • Obtiene una alta recuperación de agua dulce y menos cantidad de salmuera. • En el caso de agua salobre, el proceso ED es efectivo para valores de salinidad menores a 6 g/l de sólidos disueltos, sin embargo, no es adecuada para concentraciones menores a 0.4 g/l. • En el caso de procesar agua de mar, con concentraciones mayores a 30 g/l de sólidos disueltos, la desalinización por ED no es rentable.

Figura 2.7. Diagrama esquemático del proceso de electrodiálisis (Karaghouli, et al., 2013).

• Utiliza principalmente energía eléctrica de corriente directa. • El uso de energía es proporcional a la cantidad de sales que se desea eliminar del agua de alimentación.

En la figura 2.7 se puede observar un esquema del proceso de electrodiálisis, donde la separación de las sales se realiza por medio de una celda electrolítica, en la cual se aplica una corriente eléctrica, provocando que los cationes sean atraídos hacia el cátodo,

• En comparación con el proceso RO, puede tratar agua con un nivel más elevado de solidos suspendidos.

Figura 2.8. Diagrama esquemático del sistema de destilación por membrana (Mathioulakis et al., 2007). 15

• Requiere de pretratamiento bacteriano y de sólidos en suspensión, el cual se realiza con una baja cantidad de sustancias químicas.

2.6.2. Desalinización Térmica La desalación térmica es uno de los procesos más antiguos para purificar el agua de mar y agua salobre. Su principio se basa en calentar el agua a tratar hasta su punto de ebullición para lograr su evaporación y luego su condensación, proceso que es muy similar al ciclo del agua. El vapor de agua generado no contiene concentración de sales, y una vez que este condensa se puede obtener agua fresca (Winter et al., 2005). Algunos procesos de desalación térmica se detallan a continuación:

2.6.1.3. Destilación por membranas (MD) La destilación por membrana es esencialmente un proceso de evaporación que combina la destilación y las membranas. Se basa principalmente en la diferencia de temperatura que se genera entre la solución suministrada y la superficie de contacto de la membrana y el espacio generado por ella, como se muestra en la figura 2.8. La variación de temperatura origina una diferencia de presión del vapor producido, el cual será impulsado a atravesar la membrana hacia una superficie fría, donde condensará. El tipo de membranas utilizadas en este tipo de procesos son hidrófobas, esto quiere decir que solo son permeables por vapor, quedando excluidas las partículas de agua (las cuales contienen las sales).

2.6.2.1. Destilación Flash Multietapas (MSF) Método en el cual se precalienta el agua de mar por medio de una fuente de calor externa, logrando una temperatura de ebullición. El vapor generado pasa a través de un demister (desnebulizador) donde quedan retenidas las gotas de salmuera que han sido arrastradas (Ramilo et al., 2003).

Ventajas y desventajas del proceso MD (Buros, 2000; Water Desalination Technologies in the ESCWA, 2001; Tomaszewska, 2000):

En la figura 2.9 se puede observar el proceso de destilación de multi-etapas flash, el cual se inicia cuando el agua de alimentación entra en cada uno de los intercambiadores de calor de cada cámara los cuales tienen la función por un lado de precalentar el agua de alimentación a medida que ésta va circulado a través del arreglo de cámaras, y por el otro de condensar el vapor de agua generado en cada cámara. Una vez que el agua fue precalentada en las cámaras, es llevada a una cámara de vacío denominada “sector de calentamiento”, la temperatura alcanzada por el agua salada es normalmente de 90-110°C (Ramilo, 2003).

• Bajo aumento de la temperatura que necesita para operar, debido a esto las unidades de MD pueden apilarse para poder utilizar el calor residual generado por una fuente de energía solar. • La presión que requiere para operar también es baja en comparación a otros procesos que utilizan membranas impulsadas por presión, además reduce el espacio de vapor en comparación con procesos de destilación convencional. • En comparación a otros procesos de membranas, requiere de más espacio.

El agua salada calentada pasa a otra cámara denominada primera etapa. La presión en esta cámara es menor que en la anterior, siendo la correspondiente a la de saturación del agua de alimentación que inicia inmediatamente el proceso de ebullición. El condensado es colectado y enviado a la etapa siguiente donde se repite el proceso de evaporación-condensación. Este proceso se repite en varias etapas más, con menor

• El consumo energético es muy parecido al de los procesos de MSF y MED. • No es una tecnología muy utilizada, debido a que requiere que el agua a tratar este libre de contaminantes orgánicos. 16

Figura 2.9. Diagrama de proceso de Destilación de Multi-Etapas Flash (Karaghouli, et al., 2013).

Figura 2.10. Diagrama de proceso de Destilación de Múltiple Efecto (Karaghouli, et al., 2013).

presión entre cada una de ellas, obteniéndose el agua desalada como condensado de la última etapa. La cantidad de agua destilada que se puede obtener con este método es de un 12-20% aproximadamente (Ramilo et al., 2003).

La salmuera generada en el primer efecto es también enviada al efecto siguiente donde se rocía formando una película delgada sobre la superficie de los tubos por los que circula el vapor del efecto anterior, repitiendo así el proceso de evaporación. El vapor de cada uno de los efectos se convierte así en agua desalada al ser condensado en el evaporador del efecto siguiente. El proceso se repite varias veces, dependiendo del número de efectos en el sistema.

Ventajas y desventajas del proceso MSF (Water Desalination Technologies in the ESCWA, 2001; Khawaji y Wie, 1994; Buros, 2000; Hamed et al., 2001): • Son simples de construir y operar.

La figura 2.10 representa el proceso convencional de una planta MED, el cual cuenta con tubos sumergidos y por lo general usan dos o tres efectos y obteniendo una tasa de evaporación baja, sin embargo, el proceso puede variar dependiendo de los flujos utilizados y la combinación en la configuración de transferencia de calor. Las plantas MED modernas pueden estar compuestas por tubos verticales u horizontales, y para resolver el problema con la baja tasa de evaporación, distribuyen de mejor manera el agua de alimentación sobre la superficie de calentamiento, mediante la utilización de un delgado film que permite que el fluido tenga contacto en forma de una fina capa en vez de generar una piscina profunda como en el método convencional (Kalogirou y Soteris, 2009).

• Cantidad mínima de tuberías de conexión y no contienen partes móviles (solo bombas convencionales). • En comparación con el proceso de osmosis inversa, el agua de alimentación no es tan importante. • El agua obtenida contiene un alto nivel de purificación (alrededor de 2-10 ppm) por lo tanto se le debe dar un post tratamiento para re-mineralizarla. • Para obtener una mejor eficiencia del proceso se debe aumentar la temperatura alrededor de 115 °C, produciendo problemas térmicos y mecánicos debido a que las salas de sulfato de calcio precipitan sobre la superficie de los tubos.

Ventajas y desventajas del proceso MED (Buros, 2000; Water Desalination Technologies in the ESCWA, 2001; Darwish y Dessouky, 1996):

• Para aumentar la producción de agua de mar a tratar se deben añadir más etapas al proceso, elevando los costos de capital y la complejidad operativa.

• Baja probabilidad de corrosión en los tubos y de formación de incrustaciones, debido a que el proceso es diseñado para operar con temperaturas bajas, las que bordean los 70°C.

2.6.2.2. Destilación Múltiple Efecto (MED) Este proceso de desalación utiliza el mismo principio que el proceso MSF, pero la diferencia radica en la forma en que se lleva a cabo la evaporación. El agua a desalar es precalentada en la etapa de condensación del vapor generado en el último efecto, ingresa al primer efecto en donde se eleva su temperatura al punto de ebullición con vapor externo, como se puede observar en la figura 2.10 El agua salada se rocía sobre la superficie de los tubos del evaporador donde se forma inmediatamente una película delgada la cual favorece su rápida ebullición y evaporación. El vapor producido es colectado en este efecto y enviado al interior de los tubos evaporadores del efecto siguiente, el cual opera a una temperatura y presión inferior a las del anterior (Ramilo, 2003).

• En comparación con el proceso de osmosis inversa, el agua de alimentación no es tan importante, reduciendo los costos de operación. • Bajo consumo energético comparado con una planta MSF. • Mayor eficiencia en comparación con una planta MSF, en términos de transferencia de calor y costos de producción de agua potable. En la tabla 2.4 se pueden observar datos de algunas plantas desaladoras MED. Las primeras plantas Ashdod 18

Tabla 2.4. Datos de operación de plantas MED convencionales (Darwish et al., 2006). Localización (ref)

Ashdob

Sidem 1

Eilat

Barge unit

Sidem 2

Tipo de Evaporador

THE

THE - apilado

THE

N° de Efectos

Capacidad (kg/s)

201

139

N/A

290

5.7

9.8

10.1

22.3

12.4

Fuente de Calor

Agua 2,778 kg/s 63-55.4°C

Vapor 14.17 kg/ s, 0.31 bar

N/A

Vapor

Alimentación TDS (g/l)

N/A

33.5

Alimentación (kg/s)

611

45.6

N/A

1,502

TBT (°C)

70-74

106

T Mínima (°C)

34.5

37.5

N/A

46.6

Expulsor de Vapor (kg/s), P (bar) Energía Bomba (kWh/m³) Energía Equivalente (kWh/m³)

0.25 kg/s para 6.6 bar

0.7 para 8 bar

N/A

2.2

N/A

9.1

8.14

N/A

Tratamiento

Poli-fosfato

N/A

Poli-fosfato

Anti-scale

N/A

y Sidem 1, trabajan con bajas temperaturas de salmuera que no sobrepasan los 70°C, la primera cuenta con 6 efectos y utiliza agua sobrecalentada a 63°C mientras que la segunda tiene 12 efectos y es alimentada con vapor saturado a 70°C. La planta Sidem 2, utiliza vapor a una temperatura de 110°C y 16 etapas, a mayor temperatura de la fuente energética externa, mayor salto térmico y debido a esto se pueden instalas más etapas en el proceso (Darwish et al., 2006).

de una planta VC. El agua de alimentación ingresa a un intercambiador de calor transformándose en vapor dentro del evaporador, para luego ser comprimido mediante un compresor mecánico (MVC) o un termocompresor (TVC), produciendo un aumento de temperatura el cual es utilizado como fuente de calor. La concentración de salmuera es retirada del evaporador mediante bombas de recirculación, sin embargo no todo este flujo se considera residuo, ya que una fracción de éste es mezclada con el agua de alimentación (Karaghouli, et al., 2013).

2.6.2.3. Destilación por compresión de Vapor (VC) En este proceso el calor necesario para llevar el agua de mar a ebullición se obtiene directamente del vapor que es removido del evaporador y reinyectado en la primera etapa luego de ser comprimido para elevar su temperatura de saturación (Mathioulakis, 2007).

El compresor mecánico de vapor es construido con diferentes combinaciones para promover el intercambio de calor necesario para lograr evaporar el agua de mar y funciona generalmente con energía eléctrica. Este método crea un vacío dentro del evaporador para luego comprimir el vapor, el cual es condensado dentro de un haz de tubos. Estos tubos son rociados externamente

En la figura 2.11 se puede observar el funcionamiento 19

Figura 2.11. Diagrama del proceso de Destilación por compresión de vapor (Karaghouli, et al., 2013). con agua de mar, donde es calentada hasta su punto de ebullición, evaporándose parcialmente, produciendo más vapor. En los termocompresores, la presión del evaporador es disminuida extrayendo una parte del vapor generado mediante un venturi, al ser comprimido se transforma en un chorro de vapor. Esta mezcla es condensada en las paredes del tubo produciendo la energía térmica necesaria para evaporar el agua de mar (Shatat y Riffat, 2012).

2.6.3. Procesos alternativos

Ventajas y desventajas del proceso VC (Buros, 2000):

En este método, el agua de mar o salobre es enfriada hasta formar cristales de hielo, los cuales durante su formación son capaces de excluir la sal disuelta. Esto se realiza mediante lavados y enjuagues que se le deben proporcionar a la mezcla poco antes de que se haya congelado, para luego fundirlo y obtener agua fresca.

Estos procesos no han adquirido un rendimiento productivo tan alto como los métodos MSF, ED y RO. Sin embargo, puede ser interesante su investigación y desarrollo en situaciones determinadas, fomentando su investigación y desarrollo. 2.6.3.1. Congelación

• Ideal para desalinización a pequeña escala debido a la simplicidad y fiabilidad de su operación, alcanzando una capacidad de 3,000m³/día. • Bajo requerimiento energético debido a que no necesita altas temperaturas para funcionar.

2.6.3.2. Intercambio iónico • Debido a las bajas temperaturas que necesita para operar (menores a 70°C) se reduce el potencial de formación de incrustaciones y de corrosión en el tubo.

Proceso que se basa en el intercambio de un tipo de catión o anión presente en un sólido, con otro tipo de

catión o anión presente en una solución. Por ejemplo, se pueden reemplazar los iones Na+ presentes en una solución por H+ mediante un intercambiador de cationes y Cl- puede ser sustituido por OH-, por un intercambiador de aniones, obteniendo como resultado una completa desmineralización de una solución de NaCl. Si bien es un método muy efectivo para desmineralizar completamente el agua, su aplicación para tratar agua de mar o salobre se ve limitada debido a los elevados costos que conlleva.

Capítulo Capítulo 33

Proceso de desalinización y el consumo de energía 22

Para poder realizar la separación de las sales del agua, se requiere un mínimo de energía, independiente de la tecnología utilizada y del número de etapas del proceso. La energía necesaria se puede calcular por principios termodinámicos, en el cual el movimiento del soluto se determina mediante sus distintas colisiones térmicas con moléculas cercanas de disolvente. El trabajo mínimo necesario es igual a la diferencia de energía libre que se produce entre la alimentación de agua de mar y los flujos de salida, en este caso agua tratada y salmuera. Existen diversos métodos para poder calcular teóricamente el requerimiento mínimo de energía utilizada en el proceso de desalación, por ejemplo, para tratar un agua de mar con salinidad de 33000 ppm a una temperatura de 25°C, se calcula que el trabajo mínimo es de 0.77 kWh/m², utilizando la fórmula de Van’t Hoff (Lachish, 2007). Sin embargo, las plantas desaladoras actuales utilizan de 5 a 26 veces el trabajo mínimo teórico, dependiendo del proceso utilizado, esto se debe a que existe un trabajo extra requerido para lograr mantener el sistema en operación a una velocidad finita, en vez de lograr solo la separación de las sales.

distintas bombas, mientras que para el proceso de electrodiálisis (ED) se utiliza la electricidad de corriente directa (DC) la cual es consumida por los electrodos, y electricidad AC o DC para el funcionamiento de las diversas bombas empleadas en el sistema. 3.1.1 Consumo de energía en los procesos de osmosis inversa (RO) En el proceso de osmosis inversa el consumo de energía está relacionado con la concentración de sal que contenga el agua a tratar y la tasa de recuperación que se desea obtener. La presión osmótica del proceso se relaciona con la concentración de sólidos disueltos totales (TDS) presentes en el agua de alimentación, es decir, si el afluente contiene una alta concentración de sales requerirá una mayor cantidad de energía debido a que necesitará una mayor presión osmótica. Existen diversos tamaños de las unidades de RO los cuales pueden variar de sistemas muy pequeños con capacidad de 0.1m³/día hasta sistemas industriales con capacidad de 395,000m³/día. En la literatura se han podido registrar un consumo promedio de energía entre 3.7 a 8 kWh/m³ (Semiat, 2008; ARMINES, 1996; Avlonitis, 2003). Una unidad típica de osmosis inversa de agua de mar (SWRO) es capaz de tratar una alimentación de 24,000 m³/día, consumiendo entre 4 a 6 kWh/m² de electricidad.

Este excesivo consumo de energía promueve la utilización de procesos más eficientes y económicos, los sistemas RO, ED y VC utilizan como fuente primaria de energía la electricidad, mientras que los sistemas MSF, MED y TVC utilizan 2 tipos de fuente, la primaria proveniente de la energía térmica y la secundaria proveniente de la electricidad (encargada de conducir las bombas asociadas). La energía eléctrica utilizada en los procesos puede ser generada a partir de combustibles fósiles, energías renovables o fuentes nucleares, mientras que la energía térmica podría ser producida a partir de calderas de combustibles fósiles, el calor residual de plantas de energía, fuentes de energía o fuentes de calor de residuos industriales.

Para lograr separar las sales del agua de mar en el proceso de osmosis inversa se necesita una presión osmótica baja, por lo tanto, la utilización de diferentes tipos de membranas sumado a una tasa elevada de recuperación de agua, consiguen un bajo consumo energético. Para una unidad de osmosis inversa que trata agua salobre (BWRO), el rango de consumo de energía eléctrica varía entre 1.5 y 2.5 kWh/m³ (Semiat, 2008; ARMINES, 1996; Avlonitis, 2003).

3.1 Consumo de energía en procesos de membrana

3.1.2 Consumo de energía en procesos de electrodiálisis (ED)

En los procesos de membranas la única manera de obtener energía es a través de la electricidad. En los procesos de osmosis inversa (RO) se utiliza la electricidad de corriente alterna (AC) para el funcionamiento de las

En este tipo de procesos, la única manera de obtener la energía necesaria es por medio de la electricidad. En el caso de las bombas, estas pueden ser abastecidas por corriente directa (DC) o corriente alterna (AC), mientras

3.2.1 Consumo de energía en procesos de destilación multietapas flash (MSF)

que los electrodos utilizados en el sistema solo pueden ser abastecidos por corriente directa. Cuando el agua de alimentación tiene una baja cantidad de sales, menor a 2,500 ppm, el consumo eléctrico de la unidad de electrodiálisis varía entre 0.7 y 2.5 kWh/m³, mientras que para concentraciones de salinidad entre 2,500 y 5,000 ppm, el consumo de electricidad está en el rango de 2.64 y 5.5 kWh/m³, respectivamente.

En el proceso de destilación multietapas flash el consumo de energía está condicionado por distintos factores: • Número de etapas • Concentración de sal en la salmuera • Configuración geométrica de las etapas • Material de construcción • Configuración en el diseño de los dispositivos intercambiadores de calor • Temperatura máxima de la fuente de calor • Temperatura del disipador de calor

3.2 Consumo de energía en procesos térmicos La destilación es un proceso indispensable para la mayoría de los sistemas NSF, MED y TVC, utilizando dos tipos de energía: • Calor de baja temperatura: representa la porción principal de la entrada de energía.

Para lograr una disminución en el consumo de energía se puede aumentar el número de etapas, el área de transferencia de calor y el GOR (relación del producto adquirido). (Semiat, 2008) (Abdel-Jawad, 2001) (Hamed, et al., 2001) (Darwish, et al., 1997) (Sommariva, et al., 1996) (Hernandez-Gaona y Hernandez, 2004) (ARMIDES, 1996). La temperatura máxima de salmuera (TBT) con la que puede operar este tipo de proceso en la primera etapa, están en el intervalo de 90° a 110°C, si este límite aumenta se produce un incremento en la tasa producción y mejora el rendimiento, sin embargo, este valor está limitado por la temperatura a la que la salmuera se puede calentar antes de que ocurra el escalamiento.

• Electricidad: utilizada para el funcionamiento de las bombas que utiliza el sistema. En el caso de los sistemas MVC solo requiere electricidad como medio de energía, mientras que todos los procesos térmicos se producen en un equipo condensador de tubos y una gran cantidad de unidades de bombeo, el cual incluye bombas para la entrada de agua salobre o de mar, el destilado obtenido, la salmuera producida y la dosificación de productos químicos. El proceso de destilación simple, es decir que cuenta con una sola etapa, consume una gran cantidad de energía ya que para hervir el agua con contenido de sales se necesitan alrededor de 650 kWh/ m³. Mientras que en los procesos MSF y MED, este valor es disminuido reutilizando el consumo de energía a través de múltiples etapas. Generalmente, el calor de baja temperatura se puede identificar por uno de los siguientes parámetros equivalentes:

Por lo general, las empresas responsables de la fabricación de los sistemas MSF proporcionan una gama en el diseño con valores de GOR entre 8 y 12 kg destilado / Kg vapor en función de la temperatura de alimentación (Semiat, 2008). Mientras que en los países árabes del Golfo su rango es entre 8 y 10 (Abdel-Jawad, 2001). Al basarse en los valores que son proporcionados por los fabricantes de los sistemas MSF, se puede destacar que el consumo de energía térmica oscila entre 190 MJ/m³ (GOR=12) y 282 MJ/m³ (GOR=8), suponiendo una eficiencia del 30% se puede obtener el consumo de energía eléctrica equivalente entre 15.83 y 23.5 kW he/m³, mientras que para las bombas el rango es de 2.5 y 5 kWhe/m³, se obtiene un consumo de energía total equivalente a 19.58 - 27.25 kWhe/m³ (Karaghouli y Kazmerski, 2013).

1. La relación de producto adquirido (GOR): se define como la cantidad de energía térmica que es consumida en el proceso de desalación, es decir la relación de la masa del destilado (kg) por la masa de vapor de entrada (kg). 2. El coeficiente de rendimiento (PR): se define como la masa de destilado (kg) por 2, 326 kJ.

3.2.2 Consumo de energía en procesos de destilación multiefectos (MED)

por ejemplo, el diseño del sistema, la capacidad de la planta, los materiales utilizados para su fabricación y la calidad del agua de mar a tratar. Este último punto es muy importante para poder definir el consumo de energía en los procesos de membrana como RO y ED, sin embargo, existen procesos de destilación como el MSF, MED y VC donde la concentración de sal del agua a tratar no está relacionada con el consumo de energía del sistema.

Los procesos MED utilizan dos tipos de calor de baja temperatura para lograr la evaporación del agua y a la vez la electricidad para el funcionamiento de las bombas. El sistema opera la salmuera con temperaturas que van desde 64° a 70°C. El diseño GOR que entregan los fabricantes de este tipo de tecnología son entre 10 a 16, mientras que en los países árabes del golfo operan a valores más bajos, entre 8 y 12 (Abdel-Jawad, 2001). Utilizando como base los valores entregados por lo fabricantes de este tipo de sistemas, el consumo de energía térmica varía entre 145 MJ/m³ (GOR=16) y 230 MJ/m³ (GOR:10), suponiendo una eficiencia del 30% se puede obtener que el consumo energético está entre 12.2 a 19.1 kWhe/m³, mientras que el consumo eléctrico total que se necesita para el funcionamiento de las bombas es entre 2.0 a 2.5 kWhe/m³ (Semiat, 2008). Por lo tanto, el consumo energético total para los procesos MSF están en el rango de 14.45 hasta 21.35 kWhe/m³.

Los procesos más utilizados para desalar agua de mar son los MSF, MED y RO, sin embargo, los procesos de destilación MSF y MED requieren de un consumo energético mucho mayor, que bordean valores entre 19.58 - 27.25 kWhe/m³ y 14.45 – 24.35 kWhe/ m³, respectivamente, mientras que el proceso de membrana RO consume alrededor de 4 – 6 kWhe/ m³. Esta diferencia se debe a que los procesos de destilación requieren de una gran cantidad de energía para lograr la evaporación del agua, mientras que la tecnología de RO se encuentra en constante mejora para lograr un proceso más eficiente con respecto al consumo energético.

3.2.3 Consumo de energía en procesos de compresión de vapor (VC)

Para desalar agua salobre, generalmente se utilizan procesos de osmosis inversa y electrodiálisis, dependiendo de la concentración de la alimentación. Si el agua salobre contiene valores mayores a 5,000 ppm en solidos suspendidos totales, resulta más rentable utilizar el proceso de RO, el cual tiene un consumo de energía eléctrica entre 1.5 y 2.5 kWh/ m³, mientras que a concentraciones menores de 5,000 ppm la opción más rentable es ED. En este último caso, si la concentración de sólidos disueltos totales es menor a 2,500 ppm, el consumo eléctrico estará en el intervalo de 0.7 y 2.5 kWh/m³, si la concentración es mayor a 2,500 ppm, el consumo estará en el rango de 2.64 y 5.5 kWhe/m³. La tabla 3.1 muestra los consumos energéticos de los principales procesos de desalinización según la literatura.

Los sistemas de compresión de vapor mecánica (MVC) solo utilizan energía eléctrica o mecánica, operan con una temperatura máxima de salmuera (TBT) de 74°C y su consumo eléctrico está en el rango de 7 a 12 kWhe/m³. Mientras que los sistemas de compresión de vapor térmico (TVC) necesitan tanto electricidad como calor de baja temperatura. Su temperatura TBT puede variar entre 63° a 70°C, su relación de producto adquirido (GOR) es de 12, tiene una entrada de calor de 227.3 MJ/m³ (14.56 kWhe/m³) y requiere un consumo de electricidad entre 1.6 a 1.8 kWhe/m³ (Semiat, 2008), obteniendo un consumo total de energía de aproximadamente 16.26 kWhe/m³. 3.3 Comparación del consumo energéticos entre los principales procesos de desalinización El consumo energético de los distintos procesos de desalinización está influenciado por distintos factores,

Tabla 3.1. Consumo energético de los principales procesos de desalinización (Lachish, 2007; Semiat, 2008; Abdel-Jawad, 2001; Hamed y Mustafa, 2001; Darwish et al., 1997; Sommariva et al., 1996; HernandezGaona y Hernandez, 1004; ARMIDES, 1996; Avlonitis et al., 2003; Adiga et al., 1987; Kuroda et al., 1987). Propiedades

MSF

MED

Tamaño típico unidad (m3/día)

50,000 -70,000

Consumo de energía eléctrica (kWh /m3)

2.5-5

2-2.5

Consumo de energía térmica (MJ/m3)

190-282

Equivalente eléctrico a energía térmica (kWh / m3)

MVC

TVC

SWRO

BWRO

10,000 -30,000

Hasta 128,000

Hasta 98,000

2 – 145,000

7-12

1.8 a 1.6

4-6 con recuperación de energía

1.5-2.5

2.64-5.5

145-230

Ninguna

227

Ninguna

15.83-23.5

12,2-19,1

Ninguna

14.5

Ninguna

Consumo total de electricidad (kWh/m3)

19.58-27.2 5

19.58-27.25

7-12

16.26

4-6

1.5-2.5

2.64-5.5, 0.7-2.5 a baja TDS

Calidad de agua producida (ppm)

≈10

400-500

200-500

150-500

5,000 -15,000 100 -3,000

3.4 Economía de los distintos procesos de desalinización

de agua de mar (MSF, MED y TVC) es cercana al 60% de los costos asociados a la producción de agua pura. En el caso de las plantas de cogeneración, el calor de baja temperatura se suministra al sistema mediante calor residual proveniente de los gases de escape de la turbina, por lo que el costo de energía será mucho menor. En el proceso de osmosis inversa, el cual se basa solo en el consumo de energía eléctrica, su costo bordea el 44% del costo total de agua pura.

Existen una gran cantidad de factores que determinan los costos de los distintos procesos de desalación, entre ellos: • Tasa de recuperación del agua a tratar • Costos de capital de la planta • Costos de energía a utilizar • Mano de obra • Costos de mantenimiento

3.4.1 Economía de los procesos térmicos

En todos los sistemas de desalinización, los mayores costos de producción están asociados al consumo de energía. Los principales procesos de destilación utilizan calor de baja temperatura para lograr la evaporación del agua de alimentación y la energía eléctrica para el funcionamiento de las bombas presentes en el sistema. El costo de energía para este tipo de plantas desaladoras

Por lo general, las plantas de destilación de agua de mar tienen una gran capacidad de tratamiento, a excepción de los procesos VC que son utilizados para pequeñas capacidades. En la tabla 3.2 se pueden observar la capacidad y costos de producción de algunos procesos de destilación según la literatura existente. 26

3.4.2 Economía de los procesos de membrana

Tabla 3.2. Capacidad y costos de producción de los procesos de destilación MSF, MED y VC (Karagiannis, 2008; Wade, 2001; Agashichev, 2004).

Debido a la mejora constante de los procesos de membrana para lograr desalar el agua de mar, los costos para la producción de agua pura han disminuido notoriamente, sobre todo en la tecnología de osmosis inversa. En la tabla 3.3 se pueden observar los valores de capacidad y costos de producción para los distintos procesos de membrana. Si se desea desalar agua salobre con una concentración menor a 10,000 ppm, los métodos más económicos para poder realizarlo son la osmosis inversa o electrodiálisis, si la concentración de sólidos disueltos totales es mayor a 5,000 ppm solo el sistema de RO resulta ser el más económico, sin embargo, a concentraciones inferiores de 5,000 ppm o cuando se requiera una alta recuperación de agua pura, el sistema de electrodiálisis es el más adecuado.

Planta

Capacidad de producción (m³/día)

Costo de producción (US$/m³)

MSF

23,000 – 528,000

0.52 – 1.75

MED

>90,000

0.52 – 1.01

MED

12,000 – 55,000

0.95 – 1.95

1,000

2.0 – 2.60

Tabla 3.3. Capacidad y costos energéticos de los procesos de osmosis inversa para agua de mar (SWRO) y osmosis inversa para agua salobre (BWRO) (Karagiannis y Soldatos, 2008; Wade, 2001; Agashichev, 2004; Agashichev, 2005; Borsani y Rebagliati, 2005; Andriane y Alardin, 2002; Wu y Zhang, 2003; Tian et al., 2002; Ophir y Lokiec, 2005; Wu, 2006; Tian et al., 1999; Wade, 2001; Wu y Zhang, 2003; Avlonitis, 2002; Chaudhry, 2003; Hafez y Manharawy, 2002; Mohamed y Papadakis,2004; Mohamed et al., 2005; Rayan y Khaled, 2002; Wazzan at al., 2002; Jaber y Ahmed, 2004; Sambrailo et al., 2005; Younos, 2005; Mezher et al., 2011).

3.5 Comparación del costo de agua pura en los principales procesos de desalación Una de las ventajas de los procesos de destilación para desalar agua de mar o salobre es la calidad del agua producida, la cual contiene una muy baja concentración de sólidos totales disueltos (alrededor de 100 ppm), en comparación a los 400-500 ppm que se obtienen de los procesos de osmosis inversa. Sin embargo, la constante mejora en la tecnología de RO ha dado como resultado membranas que requieren menor presión (menor consumo de energía), una mayor vida útil y un menor costo, convirtiéndolo en uno de los métodos más económicos. En la tabla 3.4 se pueden observar los costos totales de los principales procesos de desalinización.

Planta

Capacidad de producción (m³/día)

Costo de producción (US$/m³)

SWRO

10,000 – 320,000

0.45 – 0.66

SWRO

15,000 – 60,000

0.48 – 1.62

SWRO

1,000-4,800

0.7 – 1.72

SWRO

40,000 – 46,000

0.26 – 0.54

–

0.6 – 1.05

Tabla 3.4. Costo de producción promedio de agua de los principales procesos de desalinización (Karagiannis y Soldatos, 2008; Wade, 2001; Agashichev, 2004; Agashichev, 2005; Borsani y Rebagliati, 2005; Andriane y Alardin, 2002; Wu y Zhang, 2003; Tian et al., 2002; Ophir y Lokiec, 2005; Wu, 2006; Tian et al., 1999; Wade, 2001; Wu y Zhang, 2003; Avlonitis, 2002; Chaudhry, 2003; Hafez y Manharawy, 2002; Mohamed y Papadakis,2004; Mohamed et al., 2005; Rayan y Khaled, 2002; Wazzan at al., 2002; Jaber y Ahmed, 2004; Sambrailo et al., 2005; Younos, 2005; Mezher et al., 2011).

Tipo de proceso

Tipo de agua

MSF 23,000-528,000 m³/día MED 91,000-320,000 m³/día 12,000-55,000 m³/día Menos de 100 m³/día VC

Agua de mar

30,000 m³/día 1,000 m³/día

Costo producción de agua (US$/m³) 0.56-1.75 0.52-1.01 0.95-1.5 2.0-8.0 0.87-0.95 2.0-2.6

RO 100,000-320,000 m³/día 15,000-60,000 m³/día

Agua de mar

1,000-4,800 m³/día

0.45-0.66 0.48-1.62 0.7-1.72

RO Gran capacidad: 40.000 m³/día Medio: 20-1,200 m /día

Agua salobre

Muy pequeña: unos pocos m³/día

0.26-0.54 0.78-1.33 0.56-12.99

ED Gran capacidad

Agua salobre

Pequeña capacidad

0.6 1.05

Capítulo Capítulo 34

Desalinización utilizando energías renovables 30

4.1 Desalinización acoplada a energía solar térmica

En los últimos años, se ha generado un gran interés por la utilización de energías renovables combinadas con unidades de desalación. Estas fuentes de energía renovables pueden ser solar, eólica o geotérmica que aplicados a plantas de desalinización a pequeña escala pueden ayudar a solucionar tanto la escases del agua y energía en regiones remotas. Otro factor importante en este tipo de tecnologías es el cuidado al medio ambiente debido a que no utiliza energía convencional y las emisiones de gases que se generan son bajas, contribuyendo al problema global del cambio climático. Estos sistemas renovables pueden acoplarse a procesos de destilación por membrana o destilación solar como puede observarse en la figura 4.1, sin embargo, la energía solar es la más utilizada.

La energía solar puede convertirse en energía eléctrica a partir de energía solar fotovoltaica de conversión (PV) o centrales solares térmicas, mientras que para convertirse en energía térmica se utilizan destiladores soldares o sistemas de acumulación de energía solar térmica. 4.1.1. Destilador solar La destilación solar es una técnica utilizada durante muchas décadas, se basa principalmente en una fuente profunda con un techo transparente el cual actúa como

Recursos Energéticos Renovables

Solar

Geotérmica Calor

Electricidad

Viento

Electricidad MSF MED VC MD

Electricidad

Solar Térmica

RO ED MD

Procesos Directos

SD HD

Colectores Solares

MSF MED VC MD

RO ED MD

Figura 4.1. Tecnologías de desalinización combinadas con energías renovables (Shatat y Riffat, 2012). La energía solar es una de las más utilizadas por los seres humanos durante el tiempo, desde el secado de los alimentos para su conservación hasta el uso de su reflejo para poder generar combustión. Sin embargo, 1 la mayoría de las energías convencionales como el carbón, el petróleo, el gas natural y la madera son de origen solar, debido a que su formación se basa en procesos fotosintéticos (Kreith y Kreider, 2004). Incluso, los cambios de temperatura en diversas regiones de la tierra son las responsables de la formación de la energía del viento y la marea.

condensador, muy similar al efecto invernadero. La radiación solar pasa a través del material transparente, calentando el agua y logrando su evaporación. Con este sistema se pueden obtener entre 4 y 6 litros/día de agua destilada. Sin embargo, este mecanismo ha sufrido una variedad de modificaciones y mejoras para aumentar su eficiencia, por ejemplo, para aumentar su tasa de transferencia de calor se ha desarrollado un cambio en la configuración del sistema y mejoras en la tasa de transferencia de calor, utilizando mechas y

En la figura 4.1 se puede observar diagramas de los distintos sistemas de destiladores solares (Karaghouli el al,. 2009).

Figura 4.2. Estanque solar de desalinizaciรณn acoplado a una planta MED (Karaghouli, et al., 2013)

1. La gran capacidad de almacenamiento de calor de los tanques solares puede abastecer unidades de desalación durante días nublados y en el trascurso de la noche.

diferentes capas de la cubierta de vidrio, sumado al acoplamiento de destiladores con colectores solares. Esta técnica es ideal para regiones remotas y rurales donde se requiere producir pequeñas cantidades de agua fresca para el consumo humano (Karaghouli et al., 2009. Qiblawey y Banat, 2008. El-Sebaii, 2012).

2. Los desechos de salmuera generados por las unidades de desalación pueden ser utilizados para construir el estanque solar.

4.1.2. Estanque solar Los estanques solares son contenedores de grandes dimensiones capaces de combinar la captación de energía solar y la gran capacidad de almacenamiento térmico a largo plazo, gracias a la estratificación en su construcción. Un estanque solar se divide en 3 zonas:

3. Cuando el tanque solar es utilizado para la generación de energía eléctrica, el calor rechazado puede ser utilizado en una planta de desalación térmica.

• Zona superior de convección: ubicada en la parte superior del estanque, también denominada capa superior de convección.

El sistema de humidificación multiefecto se basa en la evaporación del agua, en este método el aire es humidificado para luego pasar a un condensador donde el agua pasa del estado gaseoso a líquido. Un bucle de aire saturado con vapor de agua es el encargado de generar las condiciones atmosféricas necesarias para realizar el proceso.

4.1.3 Humidificación solar multiefecto (MEH)

• Zona media de no convección: ubicada en la capa media del estanque, también denominada zona gradiente de salinidad. • Zona inferior de convección: también denominada zona de almacenamiento, se ubica en la capa inferior del estanque.

Este tipo de unidades suelen ser muy compactas y utilizan dos métodos distintos: • Ciclo agua-abierta / aire-cerrado • Ciclo aire-abierto / agua cerrada

Debido a la estratificación del estanque, se pueden obtener distintos grados de temperaturas, por ejemplo en la superficie se pueden registrar una temperatura cercana a la ambiental mientras que en la parte inferior se pueden alcanzar alrededor de 90°C. La salinidad del agua que se está tratando es relativamente constante en las zonas de convección superior e inferior, sin embargo se genera un aumento de concentración en la capa de no convección.

En la figura 4.3 se pueden observar ambos ciclos, en la primera unidad MEH el aire pasa a través de un humidificador y un condensador mediante circulación natural o forzada. El agua de alimentación (agua salina) es precalentada en este último equipo por la condensación de calor latente de agua que habría sido perdida en el destilador solar. El agua es nuevamente calentada una vez que abandona el condensador mediante un colector solar antes de ingresar al equipo de humidificación. En la segunda unidad MEH, el agua es calentada y humidificada por el aire frío a la entrada del evaporador. El flujo de aire cálido y húmedo ingresa al equipo de condensación, calentando la alimentación de agua salina antes de que sea descargada del sistema.

Una de las ventajas de este sistema, es que puede ser acoplado a plantas de desalación de funcionamiento continuo como MED, MSF o TVC, debido a su gran capacidad de almacenamiento. También puede ser utilizado para conducir un motor del ciclo Rankine para generar electricidad en plantas desaladoras del tipo RO, MVC y ED. Otra de las ventajas atribuibles a este método son las siguientes (Karaghouli et al., 2009):

4.1.4. Destilación solar por membrana (MD)

sol. La energía solar térmica concentrada proporciona calor de alta temperatura para poder producir vapor de agua, el cual es capaz de impulsar una turbina u otro tipo de motor. Este tipo de plantas tienen la ventaja de funcionar constantemente, debido a que parte del calor generado es almacenado, permitiendo suministrar energía en ausencia de irradiación solar.

El proceso de destilación por membrana se basa en la técnica de separación por destilación. El agua a tratar es transportada a través de un flujo caliente y frío separados por una membrana hidrofóbica que solo es permeable al vapor de agua, excluyendo la transición de la fase líquida y potencial de partículas disueltas. El agua se transforma en vapor debido a una pequeña diferencia de temperatura entre los dos flujos mencionados, provocando una diferencia en la presión de vapor el cual atraviesa la membrana para luego ingresar el equipo de condensación (ver figura 4.4).

Los colectores de energía solar térmica están clasificados como colectores de baja, media y alta temperatura (Serrano, 2012). • Colectores de baja temperatura. Proveen calor útil a temperaturas menores de 65 °C mediante absorbedores metálicos o no metálicos para aplicaciones tales como calentamiento de piscinas, calentamiento doméstico de agua para baño y, en general, para todas aquellas actividades industriales en las que el calor de proceso no es mayor de 60 °C, por ejemplo la pasteurización, el lavado textil, etc.

En este tipo de procesos la temperatura del agua de mar, cuando pasa a través del condensador, es de aproximadamente 25°C, la cual se ve aumentada al abandonar el equipo. Para lograr incrementar esta temperatura se adiciona calor mediante una fuente de energía externa, como por ejemplo solar, hasta alcanzar los 80 °C. Si bien se podría considerar una ventaja la simpleza y la pequeña diferencia de temperatura que necesita para operar, la verdad que este último factor está relacionado directamente con la tasa de recuperación de agua fresca, esto quiere decir que se necesitará grandes cantidades de agua de mar o salobre para ser utilizadas en el sistema, afectando la eficiencia total del sistema. Sin embargo, puede ser un proceso prometedor cuando se acopla a una fuente externa de energía renovable para generar calor.

• Colectores de temperatura media. Son los dispositivos que concentran la radiación solar para entregar calor útil a mayor temperatura, usualmente entre los 100 y 300 °C. En esta categoría se tiene a los concentradores estacionarios y a los canales parabólicos, todos ellos efectúan la concentración mediante espejos dirigidos hacia un receptor de menor tamaño. Tienen el inconveniente de trabajar solamente con la componente directa de la radiación solar por lo que su utilización queda restringida a zonas de alta insolación.

El sistema MED aún no está disponible en el mercado debido a su alto costo y problemas con el tipo de membranas a utilizar, por lo que la mayoría de las aplicaciones se realizan a nivel de laboratorio o en plantas piloto a pequeña escala (Karaghouli et al., 2009. Rodríguez, 2003. Karaghouli y Kazmerski, 2011. Alkhudhiri et al., 2012. Ali et al., 2012. Saffarini et al., 2012).

• Colectores de alta temperatura. Existen en tres tipos diferentes: los colectores de plato parabólico, la nueva generación de canal parabólico y los sistemas de torre central. Operan a temperaturas superiores a los 500 °C y se usan para generar electricidad (electricidad termosolar) y transmitirla a la red eléctrica.

4.1.5. Energía termosolar de concentración (CSP)

El objetivo principal de las plantas CSP es producir calor mediante la energía del sol, o para la producción de energía mecánica y, a partir de ella, energía eléctrica. Pueden ser aplicadas a escala residencial, comercial hasta industrial, con potencias del orden de 700 W/ m² [EREC, 2010]. Sin embargo, los sistemas CSP pueden ser configurados de tal manera que pueden ser combinados con diversos métodos de desalinización.

Para concentrar la radiación solar y producir calor de alta temperatura con la finalidad de generar electricidad, se utilizan distintos tipos de colectores solares. Para lograr concentrar la radiación la mayoría de estos sistemas utilizan una superficie de espejos de vidrio que realizan un seguimiento continuo de la posición del 34

Por ejemplo los colectores cilindro parabólicos pueden acoplarse a distintos procesos de desalinización, como plantas MED y RO. Gracias al enorme potencial que posee Chile en términos del recurso, en particular en la zona norte y centro, se prevé que estas tecnologías aumenten su participación en la generación nacional de energía térmica en los próximos años. Aunque es factible de aplicar en todo el país, se obtiene mayor eficiencia y economía en el norte y zona central de Chile. A continuación, en consideración a los intereses de reemplazar el generador de vapor en un sistema de desalación de agua de mar mediante un sistema MED o MSF, se describirá en mayor detalle los concentradores cilindros parabólicos (CCP) y los colectores solares de tubo al vacío. 4.1.5.1. Colector cilindro parabólico Los concentradores cilindros parabólicos (CCP) son colectores lineales de sección parabólica, capaces de reflectar la luz solar de su superficie hacia un tubo absorbedor el cual es capaz de calentar el fluido que circula en su interior, el cual puede ser agua o un fluido térmico, una vez calentado puede ser utilizado para calentar otro medio de almacenamiento térmico o ser acumulado en un tanque aislado (Garzia y Gomez, 2000). Los canales parabólicos pueden alcanzar temperaturas en un rango de100-400 °C.

Figura 4.4. Diagrama del proceso de destilación solar por membrana (Karaghouli, et al., 2013).

Figura 4.5 Esquema de concentrador solar cilindro parabólico (Martínez, 2012). 35

Generalmente este tipo de colectores cuentan con un sistema de control mecánico que mantiene los canales reflectantes apuntando hacia el sol durante todo el día (Bruggen y Vandercasteele, 2002). Este sistema de seguimiento solar, se hace con el objetivo de aprovechar la mayor parte de horas posibles de luz, de forma que la radiación solar llegue lo más perpendicularmente al colector y se mantengan en el foco lineal (Escobar, 2007).

sólidos disueltos de mayor tamaño, materia orgánica suspendida o neutralización del pH. Una vez realizado, se continua con el proceso de destilado, ya sea empleándose sistemas MSF, MED o MVC. En esta etapa se requiere de una fuente de calor para la operación, usualmente se emplea vapor el cual debe generarse a través de una fuente calórica. Respecto de avances relacionados con la innovación propuesta, se han generados diversas iniciativas en las Regiones de Atacama y Arica y Parinacota, en las cuales se presenta los procesos de destilación solar como una alternativa atractiva para ser aplicada en depuración de aguas residuales y como proceso de potabilización de aguas de distinto origen. Para ello, se ha propuesto el uso del proceso de destilación solar mediante invernaderos el cual, si bien es efectivo en relación a su objetivo, la capacidad productiva es baja, además de requerir grandes extensiones de terreno para la generación de caudales relevantes de agua tratada.

Este tipo de colector es uno de los más utilizados para el proceso de desalación, en lo que a tecnologías térmicas se refiere. Los elevados niveles que logran alcanzar los canales parabólicos son capaces de producir energía térmica que luego puede ser utilizada para la generación de energía eléctrica, los cuales podrían ser suministro de electricidad para los diversos procesos de desalación, sin embargo su aplicación se basa principalmente en destilación térmica ya que estos métodos pueden utilizar tanto el calor como la electricidad generada. El reflector cilindro parabólico, se construye principalmente de plásticos recubiertos con películas de plata o aluminio, chapas metálicas o vidrios sobre los que se depositan una capa de plata junto a una base de cobre. El Tubo de Absorción o Receptor, es parte fundamental debido a que el rendimiento global del colector depende en gran parte de la calidad termodinámica del absorbente. Puede constar de un solo tubo o de dos tubos concéntricos. En este último caso, el tubo interior es metálico de elevada absorbancia (>90%) y de baja emisividad (<30%) en el espectro infrarrojo.

Los elementos diferenciadores del proyecto que se propone, respecto de otras empresas de similares características, están relacionados con el sistema que acopla procesos de destilación MED mediante la incorporación de concentradores solares de alta eficiencia, y la generación de vacío en el proceso de evaporación. Lo anterior, implica mayor eficiencia en el proceso de destilación, mayor capacidad de procesamiento y tiempos de residencia mucho más bajos en comparación a la destilación convencional.

En la tabla 4.1 se puede observar que el sistema que posee mayor flujo de destilados es el sistema MVC, tecnología que genera aproximadamente cuatro veces más producto que el sistema MED. En cuanto a su comparación energética, este último presenta el menor gasto energético, a diferencia del gasto que genera el sistema de MVC, 1.582 y 5.678 kWh/ m³ respectivamente. Los procesos de desalación térmicos actualmente empleados tienen principios muy similares y se pueden esquematizar en subsistemas básicos. En general, se tiene una etapa de toma de agua que se envía a un pre tratamiento para eliminar

Este tipo de sistemas utiliza tubos cilíndricos de vidrio con un eje de simetría común, entre los cuales existe vacío, funcionando cada tubo de manera independiente con respecto a los otros. En su interior contienen un líquido, el cual es calentado a medida que el sol incide sobre el colector. Existen varios tipos de colectores, siendo el heat pipe uno de los más utilizados.

4.1.5.2. Colectores solares de tubo al vacío

Los colectores heat pipe se basan en tubos cerrados en los cuales se introduce un fluido con ciertas propiedades, cuando el sol tiene contacto sobre el absorbedor que se encuentra al interior del tubo, este

Tabla 4.1. Parámetros de planta de funcionamiento de sistema de desalación térmica acoplado a energía geotérmica (Martínez, 2014).

Características

Unidad

MED

MSF

MVC

Agua de mar

m3/h

0.63

Destilado

m3/h

254

142

1.039

Desalación

11.21

6.27

45.82

Factor de concentración

1.13

1.07

1.85

GOR

813

465

Potencia eléctrica

402

240

5.901

Consumo eléctrico

kWh/m3

1.582

1.69

5.678

fluido se evapora y absorbe calor. Transformado en gas, asciende sobre lo alto del tubo donde se ubica un foco frío, donde es condensado y cede su calor al fluido que se desea calentar, volviendo a caer al fondo del tubo mediante la acción de gravedad (ver figura 4.6). Este tipo de colectores puede alcanzar temperaturas de aproximadamente 130°C. Los tubos utilizados en esta tecnología son considerados unos excelentes conductores de calor, debido a que contienen una baja capacidad calorífica y una excepcional conductividad, por lo que se ha extendido su uso a nivel industrial. 4.1.5 Energía termosolar acoplada al proceso de destilación de efectos multiples (CSP / MED) Figura 4.6 Funcionamiento de un colector solar de tubos al vacío, heat pipe (INENCO CONICET, 2009)

la utilización de calor latente de condensación en cada uno de los efectos, suministrando calor a la siguiente etapa del proceso.

En el proceso de destilación multiefecto (MED) opera a una temperatura cercana a 70°C, al ser combinado con un colector cilindro parabólico, el vapor sobrecalentado generado alcanza valores cercanos a 380°C, el cual es utilizado para abastecer una turbina y luego ser usado de forma convencional en el proceso de desalinización (ver figura 4.7). Durante las últimas décadas se han desarrollado distintos proyectos que acoplan estas dos tecnologías, en Almería (España) se realizó una plataforma solar, mientras que en el 2002 se realizó el proyecto AQUASOL con la finalidad de aumentar la eficiencia energética, y minimizar los costos. Actualmente, la tecnología debe contar con mejoras adicionales para poder competir económicamente con los procesos convencionales.

4.1.6 Energía termosolar acoplada al proceso de osmosis inversa (CSP / RO) Las plantas de CSP pueden generar el calor necesario para producir energía eléctrica y abastecer las bombas del proceso de osmosis inversa (ver figura 4.9). Según la literatura, se puede obtener mayor eficiencia al acoplar las tecnologías CSP y RO, requiriendo menos energía que el acoplamiento con MED (Zachary et al., 2010).

Existen diversos estudios sobre el acoplamiento de la tecnología MED con colectores solares (ver figura 4.8) con la finalidad de aumentar la productividad del sistema. Un aumento de colectores acoplados al sistema produce un aumento de la eficiencia debido a

Figura 4.7. Diagrama del sistema MED acoplado a concentradores cilindro parabólicos (Karaghouli, et al., 2013).

Figura 4.8 Diagrama esquemรกtico de un destilador multiefectos acoplado a un colector solar heat pipe (Shatat y Mahkamov, 2010).

Figura 4.9 Diagrama de una planta CSP acoplada a un proceso de osmosis inversa (Karaghouli, et al., 2013).

CapĂtulo 5

Costos del proceso de desalinizaciĂłn acoplada a energĂas renovables 40

5.2.1 Humidificación solar multiefecto (MEH):

El costo del agua producida está fuertemente relacionado con el tipo de procesos que se utilice para obtenerla y sus respectivos consumos energéticos. Si bien, la energía solar es un recurso renovable y gratuito, las tecnologías que la utilizan requieren de un costo de capital bastante elevado, incrementando los costos para poder producirla. Sin embargo, estos tipos de procesos que utilizan energías renovables están en un constante desarrollo y estudio para poder disminuir estos costos de inversión. En la tabla 5.1 se puede observar el consumo energético y costos de producción asociados a las distintas tecnologías de desalinización que utilizan energías renovables para su funcionamiento.

Para una capacidad de 1 a 100 m³/día, el promedio total de consumo de energía térmica y eléctrica, es de 31.1 kWhe/m³ aproximadamente, mientras que el costo de producción de agua fresca registrado en la literatura es de 2.6 a 6.5 US$/m³ (PRODES, 2010). 5.2.2 Destilación solar por membrana (MD): Este tipo de tecnología aún no se encuentra en el mercado debido a su baja capacidad, entre 0.15 y 10 m³/día y su gran consumo de energía, de 150 a 200 kWhth/m³, obteniendo como resultado un costo de producción en el rango de 10.5 a 19.5 US$/m³ (Rodríguez, 2003; Karaghouli y Kazmerski, 2011; Alkhudhiri et al., 2012; Ali et al., 2012; Saffarini et al., 2012; PRODES, 2010).

5.1. Energía solar fotovoltaica acoplada a procesos de desalinización. El proceso de desalinización acoplado a energía fotovoltaica (PV) tiene un costo de inversión relativamente alto, provocando un aumento en el precio del agua fresca producida. Por lo general, se utilizan dos procesos que son capaces de acoplarse sistemas fotovoltaicos: osmosis inversa (RO/PV) y electrodiálisis (ED/PV).

5.2.3 Estanque de desalación solar (SP): Tecnología que permite utilizar el calor generado al interior del estanque (sobre 90°C) en unidades de destilación multiefectos (MED) y destilación multietapas flash (MSF) o utilizarlo como fuente de energía en procesos de osmosis inversa (RO) u electrodiálisis (ED). En el caso de que el estanque este acoplado a un sistema de destilación multiefectos, el costo registrado en la literatura es de 0.71 hasta 0.89 US$/ m³ (Karaghouli et al., 2009; Karaghouli y Kazmerski, 2011; PRODES, 2010).

En el caso del proceso de osmosis inversa acoplado a energía fotovoltaica, es ampliamente utilizada en la mayoría de los países que cuentan con zonas remotas o rurales con dificultades para acceder al suministro de agua y/o electricidad. Mientras que el sistema ED/PV solo ha ido aplicado a escala piloto, mayoritariamente con fines investigativos y de desarrollo. En la Tabla 5.2 se puede observar la capacidad y los costos de producción asociados a cada una de ellas.

5.2.4 Energía termosolar de concentración (CSP) acoplado a procesos de desalinización: Los costos de producción de agua registrados en la literatura para este tipo de tecnologías bordean los 2.4 y 2.8 US$/m³. Cabe mencionar que el uso de sistemas CSP en los procesos de desalinización se encuentran aún en fase experimental, por lo que aún no se ha implementado comercialmente (EU 7th Framework Program, 2008; Zachary y Layman, 2010; PRODES, 2010).

5.2 Desalinización solar térmica La destilación solar es una de tecnología destaca por su simpleza, un costo de capital bajo y por no necesitar hidrocarburos para lograr la evaporación del agua en el sistema, sin embargo, los costos de producción de agua fresca son muy elevados debido a la baja eficiencia del destilador. La tasa promedio de producción diaria que se ha registrado en la literatura es de aproximadamente 4 y 6 l/m², mientras que los costos de producción oscilan entre 1.3 y 65 US$/m³ (PRODES, 2010). 41

Tabla 5.1. Consumo de energía y costos de producción para plantas desalinizadoras acopladas energías renovables (Karaghouli, 2009; Qiblawey y Banat, 2008; Sebaii et al., 2012; Rodríguez, 2003; Karaghouli y Kazmerski, 2011; Alkhudhiri et al., 2012; Ali et al., 2012; Saffarini et al., 2012; EU 7th Framework Program, 2008; Zachary y Layman, 2010; Kehal, 1991; Tzen y Perrakis 1996; Thomson y Infield, 2002; Hafez y Manharawy, 2003; Perrakis et al., 2001; Maurel, 1991; Lichtwardt y Remmers, 1996; Miranda y Infield, 2002; Kershman et al., 200;. Pestana et al., 2004; Carta, et al., 2004; Peral et al., 1991; ENERCON, 2006. Barbier, 2002). RE-desalinización proceso

Capacidad típica (m³/día)

Demanda de energía (kWhe/m³)

Costo de producción de agua (US$/m³)

Destilador solar

<100

Solar pasiva

1.3 a 6.5

MEH solar

1-100

Térmica: 29.6 Eléctrica: 1.5

2.6 a 6.5

MD solar

0.15-10

45-59

10.5-19.5

Estanque solar / MED

20,000-200,000

Estanque solar / RO

20,000-200,000

CSP / MED Solar

> 5,000

Térmica: 12.4-24.1 Eléctrica: 2-3

2.4-2.8

PV / RO Solar

<100

Agua de mar: 4-6 Agua salobre: 1.5-4

11,7-15,6 6.5-9.1

PV / EDR Solar

<100

1.5-4

10.04-11.07

RO / Viento

50-2,000

Agua de mar: 4-6 Agua salobre: 1.5-4

MVC / Viento

<100

7-12

MED / Geotérmica

Térmica: 12.4-24.1 Eléctrica: 2-3 Agua de mar: 4-6 Agua salobre: 1.5-4

Térmica: 12.4-24.1 Eléctrica: 2-3

0.71-0.89 0.66-0.77

6.6-9.0 pequeña capacidad 1.95-5.2 para 1.000 m3/d 5.2 a 7.8 2-2.8

Tabla 5.2 Capacidad y costo de producción para las tecnologías de osmosis inversa y electrodiálisis, acopladas a sistemas fotovoltaicos (Sebaii et al., 2012. Rodríguez, 2003. Karaghouli y Kazmerski, 2011; Ali et al., 2012; Saffarini et al., 2012; Thomson y Infield, 2012). Sistema

RO/PV

ED/PO

Tipo de agua

Capacidad (m³/día)

Costo de producción (US$/m³)

SWRO

12 - 120

7.95 - 29

SWRO

<110

11.7 – 15.6

SWRO

<110

6.5 – 9.1

<110

5.8 - 16

CapĂtulo CapĂtulo 36

Impacto ambiental generado por los procesos de desalinizaciĂłn 44

Existe una gran cantidad de plantas desalinizadoras a nivel mundial, y su número sigue aumentando rápidamente, debido a la necesidad latente de obtener un suministro de agua fresca en zonas donde el agua dulce escasea. Estos tipos de procesos deben aspirar a ser ambientalmente sostenibles, y gracias a sus constantes mejoras los costos de producción se han visto reducidos, sobre todo en el caso de la osmosis inversa.

temperatura ambiente, presentando un mayor impacto para el medio ambiente y para la vida acuática presente en las aguas receptoras, debido a que un aumento en la temperatura marina reduce la concentración total de oxígeno disuelto. El tipo de pretratamiento que se debe realizar al agua de mar, así como la descarga de la salmuera de rechazo, deben adaptarse a las condiciones de cada zona, así como también se debe seleccionar la mejor tecnología disponible para poder dar una solución óptima a la problemática existente. Estos aspectos ambientales son tan importantes como los aspectos comerciales, y se deben considerar tanto en la fase de diseño, construcción y operación de la planta. Algunos de estos aspectos ambientales más importantes son la realización de normas que controlen la concentración de la salmuera que es descargada hacia el mar, sumado a normas y control de la contaminación atmosférica generada por los distintos equipos utilizados en el proceso y normas de control de ruido y contaminación lumínica (Wilf y Bartels, 2005).

Todos los métodos de desalinización son procesos intensivos que requieren un consumo importante de energía y generan una cantidad importante de emisiones de gases que influyen en el efecto invernadero, como lo son CO2, NO, NO2, SO2 y principalmente el monóxido de carbono (CO) el cual puede alcanzar valores de 25 kg/m³ aproximadamente (Lattemann y Hôpner, 2008. Dawoud y Mulla, 2012). Otro aspecto importante es la temperatura de la salmuera descargada y la descarga de productos químicos utilizados en los pretratamientos del proceso. El agua de rechazo en el proceso de osmosis inversa puede alcanzar valores que sobrepasan casi en un 100% de la concentración correspondiente al agua de mar, sin embargo su temperatura no registra variaciones. En cambio en los procesos de destilación MSF o MED, la descarga alcanza concentraciones de aproximadamente un 15% más alto, pero con temperaturas que sobrepasan de 5 a 10°C la

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