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Sistemas Híbridos de Desalación


Desalación híbrida – Lo mejor de ambos mundos

Autor: Leon Awerbuch

Traducido del artículo  :  Hybrid Desalination: The Best of Both Worlds?

 

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Mediante la combinación de los sistemas de destilación con los de filtración por membranas, los sistemas de desalación híbrida están ayudando a reducir la huella de carbono y los costos energéticos de operación

Aunque este tipo de tecnología se ha desarrollado en los años 90, nuevos avances técnicos nos muestran el porqué de esta tecnología puede marcar el camino hacia las futuras plantas de desalación

Como otras nuevas ideas tecnológicas, a los sistemas híbridos de desalación les tomó más de 20 años poder implementar proyectos a gran escala, principalmente localizados en los estados de Medio Oriente

El concepto desalación híbrida implica la combinación de dos o más procesos de cara a proveer la mejor solución medioambiental y el menor coste de producción de agua comparado con cada uno de los sistemas que lo componen de forma separada

Las plantas de desalación de doble propósito utilizan la energía térmica residual a la salidas de las plantas energéticas en forma de vapor a baja presión y así suministrar la energía térmica de entrada a sistemas de desalación multietapa tipo flash o de destilación por multiefecto

 

La energía eléctrica producida también puede ser usada de forma efectiva en un proceso de desalación por ósmosis inversa

Las primeras sugerencias para el uso de la desalinización híbrida se basan en la eliminación de la exigencia de disponer de un segundo paso para el al proceso de RO (para alcanzar la calidad del agua producto según norma), permitiendo combinar el agua producto de la ósmosis con la excelente calidad del agua obtenido por una planta MSF.

Esta es la aplicación más simple de desalinización híbrido. Desde entonces, se han propuesto otros conceptos para la desalinización híbrido.
Hoy en día, a pesar de que el avance de la ósmosis inversa permite reducir sensiblemente la cantidad de TDS con un solo paso de proceso , la mezcla con el agua producto de un sistema de destilación permite una solución simple para obtener agua de calidad, en especial cuando las normas requieren bajos niveles de boro.

Los sistemas híbridos han llamado recientemente la atención con la implementación de las plantas de desalación y de energía de Fujairah I and Fujairah II en los United Arab Emirates (UAE), Ras Al -Khair en Arabia Saudi y Az-Zour South in Kuwait., involucradas en una alta competencia por conseguir la máxima eficiencia en el consumo energético en la producción de agua

Teniendo en cuenta el alto valor del precio de petróleo hasta hace escasos meses, y la preocupación sobre las condiciones del cambio climático los sistemas híbridos ofrecen ahorros significativos en consumo de fuel, si se lo compara con la opción de los sistemas de destilación simple

En el caso de un sistema de desalinización por MSF de 455.000 m3/dia y una planta de generación eléctrica de 400 MW, el consumo de combustible es de 191 toneladas / hora, con un coste que superará los US $ 735 millones.

En comparación, una planta de desalinización de 455.000 m3 / día híbrido basado en 60% térmica y 40% RO, obtiene una reducción sensible en el consumo, estimándose un consumo de sólo 115 toneladas / hr. Esto equivale a un costo de US $ 443 millones por año.

Impulso a los sistemas de membrana: Mayor temperatura del agua de alimentación mejora el rendimiento de la membrana

Los sistemas híbridos reducen la huella de carbono en un 40%, y la diferencia interanual de los costes de combustible es casi de 300 millones por año, lo que permitirá amortizar la mayor inversión de capital en menos de tres años.

Por supuesto, en el supuesto inicial, produciremos más energía, y esto en principio compensaría el coste adicional, pero esto sólo sería aplicable en el caso que necesitáramos más energía

En muchos países, particularmente en medio oriente, el máximo consumo de energía ocurre en verano y luego decrece de forma importante hasta un 30 o 40 %

Por contra, la demanda de agua producto es casi constante a lo largo del año, por tanto esto crea una situación en la que más del 50 % de la capacidad de generación de energía no es utilizada

Esta diferencia entre la demanda energética y la de agua puede ser corregida a través de la derivación del exceso de energía eléctrica a la producción de agua

Dado que el agua puede ser fácilmente almacenada mientras que el almacenamiento de energía eléctrica no es práctico, por tanto estamos enfrente de un nuevo desafío

En este caso el exceso de energía eléctrica puede ser derivado a la producción de agua mediante un sistema de OI en combinación con el almacenamiento estratégico del agua producida en un acuífero

Sistemas híbridos – la nueva alternativa

Entre las ventajas que ofrecen los sistemas híbridos debemos mencionar que permite la extensión temporal de la vida útil de las membranas

En general, podemos decir que en un sistema hibrido, una parte del flujo refrigerante del sistema destilación (agua de mar) es utilizado como alimentación del sistema de membranas

La temperatura más alta de la alimentación mejora el rendimiento de la membrana (el flujo, a presión constante, se incrementa en 1,5-3% por cada grado C).

Esto es particularmente importante durante el invierno, cuando las temperaturas del agua del mar pueden caer hasta un mínimo de 15 ° C.

El agua producto de la planta de destilación que tendrá una concentración de sólidos menor a 20 ppm, se mezcla con el producto de la planta de ósmosis inversa, por lo que es posible cumplir con los estándares de agua potable, aun disponiendo de altas concentraciones de sales en el producto obtenido por el sistema de OI

Esto, a su vez, significa que las plantas de ósmosis inversa pueden funcionar a tasas de conversión más altas, y además el agua cruda a mayor temperatura permite reducir el consumo de energía y químicos y extender la vida útil de la membrana.

En una variante al el “esquema clásico,” la salmuera del sistema OI , se convierte en la alimentación a la planta de MSF o MED, en especial si el agua de mar se ablanda mediante membranas de nanofiltración, utilizando su alta presión, con un turbocharge, para impulsar la bomba de recirculación de la planta MSF .

Al hacer esto, la relación de conversión del sistema híbrido NF / SWRO + MSF planta / MED se incrementa significativamente.

Rendimiento de la membrana como función de la temperatura del agua de mar

Para todas las membranas, la permeabilidad al agua (es decir, la producción de agua) disminuye con el tiempo de funcionamiento, mientras que la salinidad del agua producto aumenta

La caída de la producción, con el tiempo puede ser compensada mediante la instalación de espacio adicional en el bastidor para la inclusión de nuevas membranas cuando sean necesarias

El aumento de la salinidad del agua producto no puede ser compensada, salvo que se opte por un reemplazo a gran escala de las membranas instaladas

En el caso de sistemas híbridos (RO + destilación), un sistema de RO de un solo paso puede ser especificado manteniendo al mismo tiempo una larga vida de la membrana.

En el caso de ampliaciones de capacidad, la utilización de los sistemas híbridos, permite eliminar la necesidad de incrementar la capacidad de la obra de toma así como la de descarga de salmuera

La temperatura más alta del agua de alimentación no sólo aumenta  el flujo, sino que también el paso de sales a través de la membrana

Dado que la producción de permeado aumentará entre un 1,5% a 3% por cada grado Celsius de incremento de temperatura, permitirá reducir el número de membranas totales del sistema

Evidentemente esto aplicará si se supone que la calidad del agua de alimentación será la suficiente para que el índice de ensuciamiento (SDI) no aumente durante un tiempo de funcionamiento mayor de la membrana

Es bastante obvio que una mayor producción o sea una mayor conversión se puede conseguir con un agua de alimentación con menor salinidad, lo cual tiene una clara implicación cuando consideramos la utilización de la nanofiltración frente a un sistema de ósmosis inversa o el uso de la mezcla de agua de mar con agua de salinidad más baja, con el fin de disminuir la salinidad de alimentación al sistema de ósmosis inversa.

Una mayor permeabilidad de la membrana, debido a la mayor temperatura, resulta en una mayor tasa de conversión
Sin embargo, el aumento de la temperatura del agua de alimentación y la tasa de conversión se asocian con un aumento de la presión osmótica.
El TDS del permeado aumentará sistemáticamente con la temperatura de la alimentación

Afortunadamente, este aumento de la salinidad puede ser compensada fácilmente en sistemas híbridos (RO + unidad de desalinización térmica), donde la relación entre el caudal de agua destilada y el de agua producto de la OI puede ser fácilmente controlada para lograr la concentración de TDS requerido en el agua final

El aumento de la tasa de conversión a presión constante y con el aumento de la temperatura en un sistema híbrido, conduce a la reducción del consumo de energía específica.

Algunos voces críticas, indican que una mayor temperatura de funcionamiento de las membranas de ósmosis inversa y nanofiltración sugieren mayor riesgo de obstrucciones debido al aumento de la actividad biológica.

El aumento de la temperatura del agua de mar, que está pasando en el interior del condensador o sección de rechazo de la planta de destilación, se logra en cuestión de segundos. Esto supone que la rápida velocidad en el aumento de la temperatura resulta en un choque térmico, posiblemente reduciendo la actividad biológica en la alimentación de agua de mar a la unidad de membrana.

Otro tema de preocupación es la compactación del material de la membrana (disminución de la permeabilidad) durante el funcionamiento a largo plazo , sometida a presión y temperatura elevadas

Hoy en día la temperatura máxima para operación continua para la mayoría de las membrana es de 40º C, pero es claro que necesitamos membranas capaces para un funcionamiento continuo por encima de los 50º C.

Tales membranas para agua de mar se desarrollarán teniendo en cuenta que en algunos puntos del Golfo Persico como en Dubai, la temperatura del agua de mar puede ser superior a los 42º C.

Sistemas Híbrida utilizando nanofiltración – ablandamiento por membranas

A través del sistema de ablandamiento por membrana de nanofiltración llevado a cabo en una planta de la empresa Sharjah de Electricidad y Agua (SEWA), permitió incrementar la capacidad de producción de una planta de MSF existente desde un caudal nominal de 22.700 m3 / día hasta los 32.800 m3 / día.
Este 40% de aumento de la capacidad de la unidad de MSF fue el resultado de la mejora de la calidad del agua utilizada permitiendo mejorar la operación del sistema reduciendo los costos del proceso y eliminando riesgo de incrustaciones y ensuciamiento del sistema

La tecnología de NF permite un incremento en la temperatura de trabajo lo que resulta en un aumento significativo de la producción y del coeficiente de rendimiento.

Desalinización mediante el uso de energías renovables

Diversos centros tecnológicos de medio oriente y de otras partes del mundo están desarrollando tecnologías para sustituir los combustibles fósiles, reducir al mínimo la huella de carbono y reducir el costo final de la desalinización.

Es en este punto donde las energías renovables cobran gran importancia en especial los sistemas basados en energía solar.

 

Uno de las propuestas formuladas combina los sistemas MED con energía solar. El proceso MED funciona solamente con salmuera a una temperatura máxima de entre 64 ° C a 75 ° C dependiendo de la salinidad del agua de mar, para evitar la deposición de incrustaciones sobre las superficies de transferencia de calor.

Por lo tanto el suministro de energía puede ser a baja temperatura en forma de agua caliente o salmuera a menos de 90 ° C o bien vapor a baja presión 0,35 bares.
Por lo tanto, en este caso, la única energía eléctrica requerida es para accionar las bombas de proceso que será inferior a 1,4 kWh / m3.

Combinando procesos y tecnologías de desalación térmica y de membrana dentro de una sola planta permite reducir los costos del agua desalinizada, añadir flexibilidad al sistema y permite acoplar la producción de agua con la de energía ; y, lo más importante, reducir al mínimo el impacto ambiental de las plantas de desalinización.

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