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La importancia de los sistemas de recuperación de energía en la desalación de aguas en Canarias

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Sobre el blog

Baltasar Peñate Suárez
Dr. Ingeniero Industrial, Jefe del Departamento de Agua del ITC. Lidera y participa en grandes proyectos y servicios de I+D+i y de cooperación internacional de desalación, depuración descentralizada y monitorización de la calidad de las aguas.

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La obtención de agua desalada a través de procesos de desalación basados ​​en ósmosis inversa (OI) es una técnica muy extendida y con más de 50 años de historia en las Islas Canarias y más de 600.000 m3/d instalados. De ahí que sean incontables los esfuerzos para tratar de minimizar la dependencia energía asociada a la desalación de aguas. A lo largo de este bagaje son continuas y numerosas las mejoras e inversiones que en las últimas décadas se han realizado para reducir el coste energético al mínimo técnicamente posible. Una de las vías más analizadas y llevadas a cabo es la utilización de sistemas de recuperación de energía de la salmuera, contribuyendo a su vez, a reducir los costes de agua producida por metro cúbico.

Existe en Canarias un importante conocimiento práctico sobre los sistemas de recuperación de energía, explotándose desde muy temprano la turbina Francis, pasando por la Pelton y más reciente las cámaras isobáricas.

Se ha estudiado recientemente el conocimiento y la experiencia existente en Canarias con los diferentes recuperadores de energía. Se han llegado a conclusiones muy interesantes relacionadas con las principales ventajas, limitaciones o recomendaciones de estos equipos tras más de 20 años en explotación de forma continuada en algunos casos. La opinión de multitud de gestores y operarios de plantas ubicadas en Canarias, tras realizarles diversas encuestas y entrevistas y visitas técnicas a diversas instalaciones, han sido claves para establecer cuáles son los sistemas más adecuado para ser considerados en las futuras plantas desaladoras.

Planta desaladora visitada

De los sistemas de recuperación de energía instalados en Canarias, ya fuera hace años o en operación en la actualidad, se ha obtenido información cualitativa de los explotadores que de forma resumida se presenta en la tabla siguiente:

Tabla 1: Datos cualitativos obtenidos de la recaudación de información durante las entrevistas a operarios y jefes de plantas.

Se deduce de la información recopilada que, en general, todas las instalaciones de mediana y gran capacidad con recuperadores de energía basados en cámaras isobáricas o desplazamiento positivo, presentan unos consumos de energía en el bastidor normalizados por debajo o muy cerca de los 3,0 kWh/m3.

En Canarias todas las instalaciones  con recuperadores de energía basados en cámaras isobáricas presentan unos consumos de energía en el bastidor normalizados por debajo o muy cerca de los 3,0 kWh/m3.

Es el sistema ERI-PX el más deseado por los operadores por sus numerosas ventajas frente a los demás sistemas; de hecho la mayoría de las plantas visitadas de mediana y gran capacidad ya disponen de este sistema o se plantean instalarlo en breve. Sin embargo, en los casos en los que el agua de alimentación es por toma abierta, el uso del ERI-PX puede llevar a peores comportamientos por fenómenos detectados de biofouling. Esto conlleva a incrementar los costes en el pretratamiento de la planta desaladora. Los sistemas basados en cámaras isobáricas de desplazamiento positivo, como son el DWEER Calder o el KSB, son más tolerantes en estas situaciones.

Para plantas desaladoras de pequeña y mediana capacidad (inferior a 3000 m3/día) es el sistema iSave el equipo más prometedor presentando consumos específicos en el proceso de desalación medidos que rondan los 2,10 kWh/m3. Para la muy pequeña escala, sólo la bomba Danfoss se percibe como el sistema recomendable.

Del análisis de los datos de operación de diversos sistemas de recuperación de energía instalados se ha realizado un análisis cuantitativo obteniéndose diversos diagramas Sankey. A modo de balances de energía, permiten conocer la eficiencia del proceso, dónde se encuentran las mayores pérdidas y, sobre todo, que beneficio real de ahorro de energía aportan los sistemas de recuperación de energía que más comúnmente se han instalado en Canarias.

A modo de ejemplo, los diagramas siguientes representan esquemáticamente una desaladora con un sistema turbina Francis y la misma desaladora tras realizársele un retrofit a cámara isobárica ERI-PX en combinación con membranas de última generación LG NANO H2O.


Diagrama Sankey de planta desaladora por OI con turbina Francis. 

La turbina Francis fue uno de los primeros sistemas de recuperación de energía en utilizarse en Canarias por su flexibilidad y la alta eficiencia que ofrecía en su momento. A finales de 2015 se pudieron reemplazar las últimas existentes en operación desde mediados de 1980 por otros sistemas más eficientes. Con los parámetros medios obtenidos en las plantas analizadas, se obtiene que la energía requerida por el bastidor para llevar a cabo la ósmosis inversa es de 3,65 kWh/m3 y se consigue una recuperación de energía con la turbina Francis de 1,82 kWh/m3. Los principales inconvenientes de las turbinas Francis son sus necesidades de espacio y la peor eficiencia respecto a los demás dispositivos del mercado (turbinas Pelton y las cámaras isobáricas).


Diagrama Sankey de una planta desaladora por OI con un recuperador de energía ERI-PX.

Tras realizarse una remodelación y sustituirse turbina Francis por recuperador ERI-PX, la energía requerida por la planta desaladora para realizar la OI, a igual capacidad de producción que antes de la remodelación, se reduce a 3,05 kWh/m3 y el ahorro energético que se consigue con este nuevo sistema es de 1,34 kWh/m3. Se consigue disminuir el consumo energético del proceso de ósmosis inversa en mayor medida que con los recuperadores centrífugos.

En base a este estudio de campo realizado sobre las plantas desaladoras por IO de mediana y gran capacidad en operación en Canarias, se deduce que el sistema ERI-PX es el dispositivo más idóneo. Permite obtener unos consumos específicos en torno al 2 - 3 kWh/m3, es robusto, requiere de poco mantenimiento, es autónomo, modular y ocupa poco espacio. Por otro lado se observó que la combinación de sistemas de recuperación de energía isobáricos con membranas de última generación permiten reducir notablemente el consumo específico de la planta por conseguir poder trabajar a presiones más bajas y reducir pérdidas energéticas producidas en el proceso.

Por otro lado, se siguen diseñando y probando nuevos sistemas de recuperación de energía basados en cámaras isobáricas como son el RO-Boost, el ISOBARIX y el Salino Pressure Center de KSB. No obstante, se detecta que se requieren dispositivos de recuperación de energía especialmente pensados para plantas de pequeña escala, la mejora de ciertos puntos débiles de los actuales sistemas y el diseño de nuevos dispositivos para que puedan ser puestos en servicio en régimen variable (plantas desaladoras de mediana y gran capacidad). 

Este artículo ha sido realizado por:

Baltasar Peñate Suarez, Jefe del Departamento de Agua del Instituto Tecnológico de Canarias por Sigrid Arenas, Ingeniera Química  en colaboración con el ITC.