Eficiencia energética en plantas de desalinización por ósmosis inversa de agua de mar

Abstract

En la presente tesis se ha desarrollado una metodología de análisis del proceso de ósmosis inversa en las plantas desalinizadoras de agua de mar, tomando entre otros como ejemplo las Islas Canarias, donde existen más de 320 unidades de diferentes tamaños, privadas y públicas. El objetivo es proponer un nuevo método que integre el análisis de la eficiencia energética, la huella de carbono y la huella ecológica en las plantas desalinizadoras de agua de mar por ósmosis inversa de las Islas Canarias. Para producir una cantidad de agua de una planta de ósmosis inversa se debe consumir una cantidad de energía eléctrica, y para la generación de esta energía, en una red eléctrica convencional, se emite una cantidad de emisiones en forma de gases de efecto invernadero. En relación con la dependencia territorial, las redes eléctricas suelen tener mezclas de energía que provocan mayores emisiones de gases de efecto invernadero, ya que suelen tener sistemas basados en tecnologías de menor rendimiento. Para reducir estas emisiones de gases de efecto invernadero, es posible proponer la generación de energía eléctrica necesaria para la producción de agua en la misma instalación, a través de sistemas energéticos híbridos. Estos sistemas de energía híbridos pueden estar compuestos por varios tipos de tecnologías, en los que se tiende a integrar la mayor cantidad de energía procedente de fuentes renovables, con el apoyo de un sistema de almacenamiento de energía o de una tecnología convencional. Los sistemas eléctricos de las Islas Canarias son bastante diferentes de los sistemas continentales debido a que son sistemas aislados de pequeño tamaño, concretamente 6 subsistemas, uno para cada isla, excepto para Fuerteventura y Lanzarote que están interconectados por un cable de corriente continua, esto complica el correcto uso de las energías renovables. Gran Canaria y Tenerife son las únicas que cuentan con unidades de vapor y de ciclo combinado, mientras que el resto de las islas se generan a partir de motores diésel. El modelo energético actual entra en conflicto con las exigencias medioambientales transmitidas por la Unión Europea. Entre ellas se encuentran la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y el aumento de la presencia de fuentes de energía renovables. Debido a este mix de factores en Canarias, según la estructura tecnológica del parque de generación que utiliza productos petrolíferos, es de alrededor de 0,6776 kgCO2/kWh muy superior al de la Península Ibérica donde es de 0,2628 kgCO2/kWh. Por tanto, se estima que en Canarias se pueden emitir 5326963 tCO2/año, lo que representa 2,4 tCO2/persona/año, 12 veces más que las admisiones admisibles por habitante en Canarias, sólo teniendo en cuenta el sector de la desalación de agua de mar. En este documento se muestran los diferentes resultados del análisis de la eficiencia energética y de la huella ambiental. Este estudio puede servir como herramienta para los procesos de toma de decisiones relacionados con la mejora de la eficiencia energética en las plantas de ósmosis inversa de agua de mar. Por tanto, se desarrolla una metodología de análisis de la eficiencia energética de las plantas desalinizadoras, donde se aplica un modelo para ello, y se implementa la realización de pilotajes en plantas desalinizadoras, de forma sistemática, para evaluar las mejoras energéticas en los procesos de desalinización de aguas en un rango de validez muy amplio en lo que se refiere a salinidades y temperaturas del agua de mar.

This thesis has developed a methodology for analysing the reverse osmosis process in seawater desalination plants, taking as an example the Canary Islands, where there are more than 320 units of different sizes, both private and public. The objective is to propose a new method that integrates the analysis of energy efficiency, carbon footprint and ecological footprint in seawater desalination plants by reverse osmosis in the Canary Islands. To produce a quantity of water from a reverse osmosis plant, an amount of electrical energy must be consumed, and to generate this energy, in a conventional electrical network, a quantity of emissions in the form of greenhouse gases is emitted. With regard to territorial dependence, electricity networks often have energy mixtures that cause higher greenhouse gas emissions, as they usually have systems based on lower performance technologies. In order to reduce these greenhouse gas emissions, it is possible to propose the generation of electrical energy necessary for water production in the same installation, through hybrid energy systems. These hybrid energy systems can be composed of several types of technologies, in which the greatest amount of energy from renewable sources tends to be integrated, with the support of an energy storage system or conventional technology. The electrical systems of the Canary Islands are quite different from continental systems due to the fact that they are small isolated systems, specifically 6 subsystems, one for each island, except for Fuerteventura and Lanzarote which are interconnected by a direct current cable, this complicates the correct use of renewable energies. Gran Canaria and Tenerife are the only ones to have steam and combined cycle units, while the rest of the islands are generated from diesel engines. The current energy model is in conflict with the environmental requirements transmitted by the European Union. These include reducing greenhouse gas (GHG) emissions and increasing the presence of renewable energy sources. Due to this mix of factors in the Canary Islands, according to the technological structure of the generation park which uses oil products, it is around 0.6776 kgCO2/kWh much higher than in the Iberian Peninsula where it is 0.2628 kgCO2/kWh. It is therefore estimated that 5326963 tCO2/year can be emitted in the Canary Islands, which represents 2.4 tCO2/person/year, 12 times more than the admissible admissions per inhabitant in the Canary Islands, only taking into account the seawater desalination sector. This document shows the different results of the analysis of energy efficiency and the environmental footprint. This study can serve as a tool for decision-making processes related to improving energy efficiency in seawater reverse osmosis plants. Therefore, a methodology is developed for analysing the energy efficiency of desalination plants, where a model is developed for this purpose, and pilots are implemented in desalination plants, in a systematic way, to evaluate the energy improvements in the water desalination processes over a very wide range of validity in terms of salinity and temperature of the sea water.