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Procesos comercialesy su consumo energticoBreve introduccin histrica

Las plantas desaladoras comenzaron a instalarse en tierra fir-me en la dcada de los cincuenta; anteriormente se haban ins-talado en barcos, que es donde tuvieron su inicio estos proce-sos. En Espaa la primera planta desaladora se instal en la is-la de Lanzarote en el ao 1963, y fue tras la crisis del petrleodel ao 1973 cuando el mercado de la desalacin tuvo su de-sarrollo ms importante, con la construccin de grandes plan-tas desaladoras en los pases del Golfo. Se han desarrolladoms de veinte procesos de desalacin, pero no todos tienenaplicacin comercial. En general a los procesos de desalacinse los puede agrupar en tres grandes grupos: los procesos ba-sados en la destilacin del agua, los basados en la congelacindel agua y los basados en la separacin de las sales y el aguamediante membranas. Los primeros en desarrollarse fueron losde destilacin, los de congelacin no han pasado nunca a ex-plotacin comercial y, en la actualidad, los procesos de mem-branas son los que dominan cada vez ms el mercado.

La participacin, en trminos de m3/da instalados de ca-da tipo de proceso, tanto en Espaa como en el mundo, es laque se muestra en la figura 1; de ella se puede deducir quprocesos son los que realmente estn en el mercado. Los de-nominados como MSF Multistage Flash Evaporation, CMVCompresin Mecnica de Vapor y MED Multiefect Distilla-tion, son procesos de evaporacin; fueron los primeros en serutilizados en las plantas desaladoras, de ah su gran implan-tacin a nivel mundial. De hecho, el proceso de MSF lleg arepresentar el 85% de las plantas instaladas durante el pero-do del 70 al 85. El proceso denominado OI, smosis Inver-sa, basado en la utilizacin de membranas, es el proceso quems se utiliza en Espaa y en el mundo, actualmente.

Consumo de energa por proceso

Los procesos de destilacin, tales como el MSF y MED, utili-zan una fuente de calor para producir la destilacin del aguay adems energa elctrica para el bombeo del agua por loscircuitos del proceso. El proceso de CMV, aunque es de des-tilacin, solo utiliza energa elctrica, al igual que el procesode OI. Todos ellos han mejorado sus consumos de energadesde sus inicios hasta la situacin actual. Concretamente elproceso de MSF consuma tres veces ms de calor al princi-pio, que el que consumen las plantas actuales. La forma demejorar el rendimiento en estos procesos ha sido aumentan-do las superficies de transferencia de calor, con lo que la re-cuperacin de calor es mayor. La causa fundamental de estoscambios fue la crisis del petrleo del 73. Hasta ese momentola energa era muy barata, tanto, que era preferible consumirms energa a incrementar los costos de inversin para redu-cir su consumo. Actualmente, la conciencia medioambientalpor una parte y el alto costo de la energa por otra, han pro-piciado la reduccin del consumo energtico. En la tabla 1 semuestra cul ha sido esta evolucin a lo largo del tiempo.

La energa calorfica necesaria en los procesos de MSF yMED procede, generalmente, del vapor de escape de unaturbina de una central trmica. El objetivo es utilizar un vaporque ya ha realizado un trabajo produciendo kWh, de estaforma su costo es menor. Por este motivo, este tipo de plantasdesaladoras est asociado a una central de generacin deelectricidad casi en el 99 % de los casos.

Como puede apreciarse en la tabla 1, la reduccin enconsumo de energa desde que un proceso inicia su andadu-ra hasta la actualidad, es casi la tercera parte del consumoinicial. La comparacin entre los procesos es compleja, debi-do a que el tipo de energa consumida no es el mismo. Si laenerga en forma de vapor que utilizan los procesos de MSF

Mejora de la eficiencia energticade las plantas desaladoras: nuevossistemas de recuperacin de energaFrancisco Martn Morales y Juan Mara Snchez Snchez

DESCRIPTORESDESALACINSMOSIS INVERSACONSUMO ESPECFICO DE ENERGASISTEMAS DE RECUPERACINCMARAS DE INTERCAMBIO DE PRESIN

y MED se traduce a kWh, podemos hacer una comparacinentre los procesos y ver en una grfica cul ha sido a lo lar-go del tiempo la reduccin que se ha producido. En la figu-ra 2 podemos ver cul ha sido la evolucin del consumo es-pecfico en la desalacin en general, tanto por el cambio enel tipo de proceso, como por las mejoras dentro de cada unode ellos. La grfica es la envolvente de los consumos mnimosen el tiempo, indicando en cada perodo el proceso que con-sigue estos mnimos de consumo.

Recuperadores de energaTipos de recuperadores utilizados

En la figura 2 se puede ver un primer esbozo de cules hansido los sistemas utilizados para recuperar la energa en elproceso de smosis inversa. Como es sabido, para producirla separacin de las sales y el agua en las membranas, esnecesario darle a stas una presin superior a la presin os-mtica de la disolucin salina. Esto tiene como consecuenciaprctica que, para desalar el agua de mar, sea preciso lle-var el agua de mar hasta una presin de 70 bares, aproxi-madamente, en la entrada de las membranas. Esta presinno se pierde en el interior de las membranas, sino que la sal-muera a la salida tiene esa misma presin menos las prdi-das de carga al pasar por las membranas, unos tres baresaproximadamente, es decir, a la salida de las membranas desmosis inversa la salmuera tiene unos 67 bares de presin.Como esta salmuera debe ser devuelta al mar, hay que qui-tarle previamente esa presin. Las primeras plantas de s-mosis inversa, de tamao muy pequeo y en las que la pre-ocupacin era el comportamiento de las membranas, solantener una vlvula reductora de presin, para romper cargade la salmuera antes de su envo al mar. Esta situacin durmuy poco, pues pronto se vio la mejora que supona recupe-rar la energa de la salmuera en vez de tirarla. Por otra par-te, las plantas aumentaban de tamao y en trminos absolu-tos la energa que se tiraba era muy importante. La primeraidea para recuperar la energa fue instalar una bomba in-vertida movida por la presin y el caudal de salmuera. Estesistema de recuperacin de la energa era poco flexible conlas variaciones en la operacin de la planta; a lo largo delao las membranas se ensucian, con lo que la presin de sa-lida de la salmuera vara. As mismo con las variaciones detemperatura la presin de alimentacin haba que cambiar-la y, en consecuencia, variaba la presin de salida de lasalmuera. Al ser el sistema recuperador una bomba inverti-da, su funcionamiento vena definido por la curva caudal/al-tura, pero al variar la presin de entrada debera variar elcaudal siguiendo la curva; como esto no era posible, puestendramos producciones variables, haba que tener un pe-queo by-pass con una vlvula reductora de presin pordonde desviar el caudal que, en determinadas situaciones, labomba no poda evacuar. En resumen, se traduca en inefi-ciencias del sistema.

La introduccin de la turbina Pelton como sistema de re-cuperacin de la energa de la salmuera solucion gran par-te de estas ineficiencias, ya que tenan un mayor rendimientoen la recuperacin, 88 % frente al 77 % de la bomba inverti-da y, adems, la curva de operacin de una turbina Pelton esun rea, que admite variaciones en la presin de entrada ala turbina sin que por ello se afecte al rendimiento. Por otraparte, en la turbina Pelton la salmuera se descarga a la at-msfera, es decir, se aprovecha toda la energa de presinque trae. En cambio, las bombas invertidas necesitaban unacontrapresin en la descarga, el equivalente al NPSH de lasbombas, pues si no, cavitaban; esto supona perder parte dela energa que traa la salmuera.

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Fig. 1. Reparto por procesos. Fuente: IDA WDPI Report N 16.

TABLA 1

Evolucin de la energa consumida por cada proceso

Al inicio del proceso En la actualidad

Tipo de proceso Calorfica (kcal/m3)Elctrica (kWh/m3)

Calorfica (kcal/m3)

Elctrica (kWh/m3)

MSF 185.140 7,0 50.495 4,5

MED 111.085 3,0 50.495 1,6

CMV 26,0 8,5

OI 11,7 3,5

Fig. 2. Evolucin del consumo especfico. Fuente: el autor

En la actualidad han aparecido unos nuevos sistemas derecuperacin de energa, las Cmaras de Intercambio dePresin. Para que se entienda de manera sencilla cmo fun-cionan estos equipos, se puede decir que al igual que loscambiadores de calor intercambian el calor entre dos co-rrientes, en las cmaras de intercambio de presin lo que seintercambia es la presin entre dos corrientes de agua; poruna parte entra la salmuera a alta presin, por otra entra elagua de mar a baja presin, se intercambian las presiones ysale la salmuera a baja presin y el agua de mar a alta pre-

sin. La forma de intercambiar la presin es poniendo en con-tacto ambas corrientes, de esta forma la salmuera presurizael agua de mar entrante. Investigando sobre sistemas de estetipo se lleva muchos aos, pero es ahora cuando han apare-cido equipos comercialmente vlidos para aplicaciones realesen plantas de desalacin. Los tipos de Cmaras de Intercam-bio de Presin (CIP) que existen en el mercado se puedenagrupar en dos grupos: de desplazamiento y de rotacin. Va-mos a dar una breve explicacin de cmo funciona cada unode estos tipos de CIP.

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Fig. 3. Grupo bomba y turbina de la Planta Lanzarote IV.

Fig. 4. Grupo bomba y turbina de la Planta Antofagasta.

Las cmaras de tipo de desplazamiento funcionan comoun motor de dos tiempos. Si nos fijamos en la figura 5, en elpaso 1, es el instante en que la salmuera de alta presin estentrando en la cmara y presurizando el agua de mar quepreviamente la haba llenado; a la vez que la presuriza ladesplaza hacia el proceso. En el paso 2, la salmuera que hallenado la cmara desplazando y presurizando el agua demar en el paso 1, es desplazada de la cmara y enviada alexterior por el agua de mar que entra a baja presin llenan-do la cmara. Despus se inicia de nuevo el proceso en el pa-so 1. Por este motivo, en general los sistemas de CIP basadosen el desplazamiento tienen dos cmaras en paralelo, cadauna realizando uno de los pasos antes explicados. Es lo queconforma una unidad de Cmaras de Intercambio de Presin.En las plantas grandes encontraremos varias de estas unida-des trabajando en paralelo.

Algunos fabricantes realizan el contacto entre agua demar y salmuera directamente, ya que, gracias a la diferenciade salinidad entre ellas, tienen diferencia de densidades y deviscosidad, lo que permite realizar esta operacin de esta for-ma. Otros fabricantes prefieren situar un pistn separador en-tre ambos fluidos que realiza un cierre hermtico. Finalmen-te, otros sitan un pistn flotante entre ambos fluidos que, sinrealizar un cierre hermtico, los mantiene cuasi-separados.Otro aspecto que diferencia a unos fabricantes de otros es elsistema elegido para dar paso y salida a cada fluido de lascmaras. Despus veremos los detalles de cada uno.

Las cmaras del tipo de rotacin se basan en el mismoprincipio que las anteriores, poner en contacto ambas corrien-tes. Lo que las diferencia es que en el caso anterior las partesmviles del equipo son los elementos, vlvulas generalmente,que dan paso a una corriente u otra. En este caso el elementoque da paso no existe y lo que se mueve es la propia cmara.Para entenderlo fijmonos en la figura 6; en ella hay una sal-muera entrante, flecha marrn de la derecha, que presuriza elagua de mar que se encuentra en la pequea cmara de lazona superior del dibujo, que sale por el otro extremo presu-rizada. En la parte inferior del dibujo vemos una corriente deagua de mar entrando que desplaza a la salmuera existenteen el interior de la mini-cmara. Ahora hagamos rotar estaparte central de la figura, no los cabezales por donde entrany salen las corrientes, tal y como indican las flechas de giro deldibujo. Las mini-cmaras se situarn frente a la corriente desalmuera entrante a presin, permitiendo la salida del agua demar a presin, y en otro momento se situarn frente a la en-trada de agua de mar a baja presin, que llena la mini-c-mara y desplaza la salmuera sin presin al exterior. En defini-tiva, tenemos la mitad de las mini-cmaras haciendo las fun-ciones del paso 1 y la otra mitad haciendo las funciones delpaso 2. En la parte inferior de la figura vemos una seccin deltambor que gira; tiene el aspecto del tambor de un revlver;en l estn las mini-cmaras donde tiene lugar el proceso. Elgiro lo lleva a cabo la propia agua, no tiene necesidad de mo-tor, y la velocidad de giro es en torno a 1.500 rpm. En este sis-tema el contacto entre los fluidos es directo, no existiendo nin-guna separacin fsica, ni pistn entre ambas corrientes.

El rendimiento de recuperadores por Cmaras de Inter-cambio de Presin (CIP), tanto de desplazamiento como rota-tivo, es muy alto, en torno al 96 %. No obstante, el rendi-miento global para la planta desaladora es inferior, comodespus se explicar.

Aspectos comunes a las cmarasde intercambio de presinComo se puede deducir, al tener las cmaras un volumen de-terminado y ser el mismo para llenarlas de salmuera que deagua de mar, y como la frecuencia de los ciclos es, lgica-mente, la misma para ambas corrientes, el caudal de aguade mar presurizada tiene que ser sensiblemente igual al desalmuera de alta presin. Por otra parte, la presin de sali-da de la salmuera es inferior a la de entrada del agua demar a membranas, como ya hemos comentado. La presinde la salmuera entrando a las cmaras es an menor que lade salida de las membranas, ya que hay que restarle las pr-didas de carga en tuberas y vlvulas hasta llegar a las c-maras. Como adems las cmaras tienen un rendimiento enla transmisin de presin al agua de mar, cuando sta salepresurizada de las cmaras, requiere un incremento de pre-sin para alcanzar la de entrada a las membranas. Es nece-saria, por tanto, la instalacin de una bomba booster, entrela salida de las cmaras y la entrada a las membranas, quele proporcione dicho incremento.

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Fig. 5. Funcionamiento de las cmaras de tipo desplazamiento. Fuente: el autor.

Fig. 6. Funcionamiento de las cmaras de tipo rotacin. Cortesa de ERI.

El ciclo de corrientes, con este tipo de recuperadores, es unpoco diferente a lo que han sido hasta ahora en las plantasde desalacin por smosis inversa. En la figura 7 tenemos unciclo tipo con recuperadores CIP. De acuerdo a lo que hemosrazonado anteriormente, el caudal de la bomba booster debeser muy parecido al caudal de salmuera, Qs, y el caudal de labomba de alta presin debe ser muy parecido al caudal deproducto de la planta, Qp. Como es lgico, el caudal de aguade mar Qam ser la suma de ambos caudales. Este ciclo es co-mn a cualquier tipo de Cmara de Intercambio de Presin.

Cuando se analiza con ms detenimiento el funciona-miento de las CIP, encontramos varios aspectos que modificande forma importante el comportamiento ideal hasta ahora ex-puesto. As, tenemos que el contacto entre las corrientes deagua de mar y salmuera no se salda sin consecuencias y, co-mo resultado, el agua de mar incrementa su salinidad, lo queimplica que, para que la produccin sea la misma, es nece-sario introducir el agua de mar en las membranas con mspresin. Tambin se dan prdidas de caudales que hacen queel rendimiento global de la planta sea inferior al terico. To-dos estos conceptos son los que enumeramos a continuaciny cuyo valor mximo hay que pedir al fabricante del equipoque garantice con su oferta. Mezcla (Mixing): Es la medida de la contaminacin del

agua de mar por la salmuera, y se define como un cocien-te cuyo numerador es la diferencia de salinidad del agua demar a la salida de las cmaras menos la salinidad del aguade mar y cuyo denominador es la diferencia de salinidadde la salmuera a la salida de las cmaras menos la salini-dad del agua de mar. Expresado como tanto por ciento.

Agua de barrido (Overflush): Es un caudal de agua de marque se pierde con la salida de la salmuera, y est motiva-do por varias razones: necesidad de lubricar el giro del ro-tor, lavar la cmara de la salmuera que queda para redu-cir el valor anterior de mezcla, prdidas de los cierres devlvulas, etc. Este caudal se mide en tanto por ciento y sedefine como el cociente entre el agua de mar entrando enlas cmaras dividido entre el caudal de agua de mar sa-liendo de las cmaras y restando uno a dicho cociente.

Prdidas de salmuera (Leak): Es un caudal de salmuera quese pierde antes de realizar el trabajo, de forma que repre-senta finalmente una prdida de rendimiento. Esta prdidaes debida a fugas que se producen de salmuera desde ellado de alta presin al de baja presin directamente. Se

mide en valores absolutos de caudal y es igual al caudal desalmuera entrando a las cmaras menos el caudal de sal-muera saliendo de las cmaras.

Presin mnima de entrada del agua de mar a las cmaras.Es un valor absoluto y que el fabricante de las cmaras im-pone para que pueda entrar el agua de mar, y es conse-cuencia de las prdidas de carga en los sistemas de entra-da, en el llenado de las cmaras, etc.

Presin mnima de salida de salmuera de las cmaras. Esun valor absoluto y que el fabricante de las cmaras impo-ne para que pueda salir la salmuera, y es consecuencia delas prdidas de carga en los sistemas de salida, en el va-ciado de las cmaras, etc. Hay cmaras que cavitan si elvalor es inferior al especificado.Todos los parmetros anteriores tienen como consecuencia

una reduccin del rendimiento de las cmaras. Por tanto, hayque redefinir qu se entiende por rendimiento de una Cma-ra de Intercambio de Presin; esta definicin es la siguiente: Rendimiento (Efficiency): Se define por un cociente cuyo nu-

merador es la energa recuperada til para nosotros, quees el producto del caudal de agua de mar saliendo de lascmaras por la presin de ese agua de mar a la salida delas cmaras, y cuyo denominador es la energa que le he-mos entregado a las cmaras para hacer su trabajo, quees la suma del caudal de agua de mar entrando a las c-maras por su presin de entrada, ms el caudal de sal-muera entrando a las cmaras por su presin de entrada.El Rendimiento, definido de esta forma, tiene en cuenta to-

dos los factores arriba mencionados excepto uno, la Mezcla,ya que este valor solo puede ser cuantificado conociendocunto incrementa la presin a la entrada de membranas porculpa de este efecto. Este clculo es ms complejo y depen-diente del diseo global de la instalacin. Otro efecto colate-ral no contemplado es el incremento de la potencia de lasbombas de agua de mar para dar el caudal extra pedido porlas cmaras, debido al agua de barrido.

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Fig. 7. Ciclo tipo con recuperadores CIP. Fuente: el autor.

Fig. 8. Recuperador de energa ERI. Planta de Mazarrn.

A pesar de todo lo mencionado sobre las CIP, son losequipos que ms rendimiento tienen globalmente, recupe-rando la energa en las plantas de smosis inversa, llegandoa los valores indicados en la figura 2. Al mencionar todos es-tos conceptos el objetivo es hacer ver la complejidad de fac-tores que intervienen, que el clculo final del consumo espe-cfico tiene que ser adecuadamente realizado y que, en lasofertas de las CIP, hay que obtener garantas sobre los pa-rmetros indicados.

Tipos comerciales de Cmarasde Intercambio de Presin

Vamos a enumerar las Cmaras de Intercambio de Presinque, hasta el momento, se pueden encontrar en el mercadoespaol, sabiendo que, como todo producto nuevo, puede su-frir cambios importantes en muy poco tiempo y que puede ha-ber otros equipos similares cuyo conocimiento no tengamos.

Entre los equipos basados en el desplazamiento con ele-mentos mviles que dan paso al agua de mar y a la salmue-ra, se encuentran los siguientes: Aqualyng. Es un equipo de tecnologa noruega implantado

en Canarias. Utiliza cmaras verticales y un sistema de vl-vulas cuya apertura y cierre controla la entrada y salida delas corrientes. Hay equipos instalados en Canarias.

Dweer. Es un equipo desarrollado por la empresa Desalco.Posteriormente ha sido vendida la licencia a la empresasuiza Calder, fabricante tambin de turbinas Pelton. Estesistema utiliza dos cmaras horizontales con una vlvulade corredera patentada, cuyo nombre es LinX, para laadmisin y descarga de la salmuera, y vlvulas de reten-cin para la entrada y salida del agua de mar. Tiene di-versas instalaciones en la zona del Caribe y actualmentese est instalando en la planta de Ashkelon, en Israel, de160.000 m3/da.

RO Kinetics. Es un equipo desarrollado por el ingeniero ca-nario Miguel Barreto. Utiliza dos cmaras en forma de bu-cle y una vlvula tipo corredera. Hay varios equipos insta-lados en Canarias y Cabo Verde.

Siemag. Es un equipo adaptado desde la industria minera.Utiliza tres cmaras y un juego de vlvulas todo-nada. Fueuno de los primeros equipos en instalarse, concretamenteen la planta de Inalsa-I, de Lanzarote. Parece que han de-jado de fabricarlo.El nico equipo rotativo comercializado es:

ERI, de la empresa americana Energy Recovery Inc. No tie-ne vlvulas para dar entrada y salida a los fluidos, pero sun rotor que gira a 1.500 rpm. Tiene diversas referenciasen Espaa, en Chipre y en pases del Golfo.Entre las Cmaras de Intercambio de Presin del tipo de

desplazamiento que estn en fase de desarrollo, pero an nose han comercializado, se encuentran las de: KSB. Este fabricante de bombas est desarrollando un sis-

tema de dos cmaras, parecido al de Dweer, pero con unavlvula rotativa en vez de corredera.

Osmopompe, de la empresa francesa Octave. Est en fasede prototipo.

Cul es el consumo futuro?Una de las preguntas que ms se hace en los foros de debatede la desalacin es: hasta dnde puede llegar la reduccinen el consumo energtico?

A la vista de la figura 2, podemos observar que la re-duccin ha sido muy importante, por lo que es difcil que eseritmo pueda seguir, ya que llegaramos al absurdo de con-sumo cero.

Si disolvemos en un metro cbico de agua pura 38 kilosde sales del mismo tipo que las que tiene el mar, se despren-de una cantidad de calor de 670,8 kcal, que equivalen a0,78 kWh. Si el proceso fuese reversible, la termodinmicanos dice que esa sera la mnima energa que deberamosaportar al sistema para separar de nuevo las sales del agua.

Parece evidente la no reversibilidad del proceso; en con-secuencia, si consideramos un factor de tres entre el procesoreversible y el prctico ideal, tendremos un consumo espec-fico de 2,34 kWh/m3 para el proceso de smosis inversa,por lo menos.

Si adems consideramos los otros consumos necesariospara el total funcionamiento de la planta, como son: el bom-beo de captacin del agua de mar hasta la cota de la plan-ta, considerando que el agua producida se deja a nivel delmar, los consumos por tratamientos qumicos, por lavado demembranas, por lavado de filtros, por prdidas de carga,etc., el valor real, considerando la totalidad de estos consu-mos, que puede alcanzarse en las plantas desaladoras en losprximos diez aos es el de 2,7 a 2,9 kWh/m3.

Esto, lgicamente, sin cambio de proceso. Si se descubrey desarrolla un proceso ms eficaz, puede ocurrir lo mismoque pas con la aparicin de la smosis inversa frente a lossistemas de destilacin. Pero en cualquier caso, por muy efi-caz que sea el proceso, siempre estar muy por encima delterico termodinmico antes mencionado.

Francisco Martn Morales* y Juan Mara Snchez Snchez***Ingeniero de Caminos Canales y PuertosAdministrador nico de Consulnima S.L.

**Ingeniero IndustrialExperto en Desalacin

Referencias bibliogrficas Wangnick Consulting, 2000 IDA Worldwide Desalting Plants Inventory. Report N16. May-2000.

Walter Wesson Lora, Los intercambiadores PX de ERI: el sistema de cmaras iso-bricas de recuperacin de energa ms fiable y extendido en el mundo. Jornadasnacionales sobre desalacin. Desalacin 04. Madrid, 17 y 18 de noviembre de 2004.

Juan Mara Snchez Snchez, Consumo de energa en los procesos de desalacindel agua de mar. I Congreso Nacional de AEDyR. Murcia, 28 y 29 de noviembre 2000.

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