domingo, noviembre 04, 2007

AGUA para consumo; tecnología de punta S. XXI

DESALINIZACION POR OSMOSIS INVERSA (OI)APROVECHANDO LA HIDRO-ENERGIA PARA LA COGENERACION
Masahiro Murakami
Nippon Koei Co., Ltd. Consulting Engineers
2-5 Koojimachi Chiyoda-ku, Tokyo, Japón
Katsumi Musiake
Institute of Industrial Science, University of Tokyo 22-1,
Roppongi 7-chome, Minato-ku, Tokyo, Japón
RESUMEN
Se presenta una nueva aplicación de co-generación con hidroenergía para desalinización por osmosis inversa (OI), y se examina la factibilidad técnica del sistema de desalinización del proyecto de abastecimiento de agua potable Agaba-Disi en Jordania, así como el esquema de conducción del mar Mediterráneo mar Muerto en Israel/Jordania. La reducción en los costos de operación y de energía podrán compensar las limitantes de la tecnología de desalinización. El costo unitario de la desalinización por ósmosis inversa que aprovecha la hidroenergía se estimó en forma preliminar en US dólares 0.4 por m3 para agua subterránea salobre, de US dólares 0.9/m3 para agua de mar.
INTRODUCCION
La mayoría de los países en el medio oriente presentan deficits de agua. En ellos se consume cada gota de agua disponible en los ríos y acuíferos subterráneos y rápidamente están agotando el agua subterránea que únicamente se puede usar una sola vez. Israel agotó prácticamente sus fuentes renovables de agua dulce en la década de los años ochenta. Jordania, su país vecino, y muchos otros países árabes, pronto verán agotadas sus propias fuentes renovables si los patrones actuales de consumo de agua no se revisan pronto y en forma radical. El desarrollo no convencional de los recursos hidráulicos y de la energía, incluyendo la desalinización de agua de mar y salobre por métodos de co-generación, será punto clave en la planeación de los recursos hidráulicos en países áridos y semi áridos para el siglo XXI. El uso de la potencia hidráulica y solar para desalinización por osmosis inversa, que es un nuevo tipo de cogeneración y que se propone en este trabajo, será seguramente el desarrollo tecnológico clave en esa región para alcanzar los objetivos estratégicos, los cuales están enfocados a valuar los energéticos fósiles y el medio ambiente. En esta ponencia se examinan dos estudios de caso: “desalinización de agua salobre subterránea por ósmosis inversa, aprovechando la hidro-energía en el proyecto de abastecimiento de agua potable Aqaba-Disi en Jordania” y “desalinización de agua de mar por ósmosis inversa del esquema de conducción de agua del mar Mediterráneo al mar Muerto (MDS).
PROYECTO DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE EN AQABA
Aqaba está situada en la parte superior del golfo de Aqaba del mar Rojo y en el extremo sur de Wadi Araba (Fig. 1). Aqaba es un importante centro comercial de Jordania, en expansión y experimenta un acelerado desarrollo industrial a lo largo de la línea costera. Debido al clima hiperárido del sur de Jordania, el abastecimiento de agua ha sido una de las mayores limitaciones al desarrollo regional de Aqaba. El campo de pozos de Disi, que se localiza a 50 km al noreste de Aqaba, a una elevación de 840m, fue seleccionado como la fuente del sistema de abastecimiento de agua. Disi es un acuífero no renovable (fósil), aunque con baja salinidad en un rango entre 300 y 400 ppm de sólidos totales disueltos. De modelos de similación, se ha estimado que el acuífero permite una extracción máxima de 17 X 106m3 a 19 X 106m3 por año en por lo menos 50 años (NRA:1986). La línea troncal de acero dáctil de 800-450 mm de diámetro y 92 km de longitud conduce el agua de Disi a Aqaba, y más al sur hasta la fábrica de fertilizantes cerca de la frontera con Arabia Saudita. La presión se rompe en tres sitios a lo largo de la tubería para limitar la presión a un máximo de 25 km/cm2, como se muestra en el perfil de la línea principal de la Figura 1 Esquema de abasto de agua Aqaba-Disi para cogeneración
ESQUEMA DE DESALINIZACION POR OSMOSIS INVERSA DISI-AQABA APLICANDO LA HIDRO-ENERGIALa desalinización por ósmosis inversa aprovechando la hidroenergía es una aplicación no convencional de sistemas de cogeneración en la que se incluye el agua subterránea con una unidad de desalinización por ósmosis inversa. Las primeras investigaciones sobre desalinización por OI de aguas salobres subterráneas en Jordania consideran los siguientes objetivos:
A.-Desarrollo de energía potencial en tuberías de conducción de agua (línea principal) que considera 5.2 MW de potencia hidráulica teórica para una carga total de 840 m, no solo para la potencia hidráulica sino por la desalinazación por ósmosis inversa (OI).
B.-Conservación de agua dulce subterránea no renovable del acuífero Disi para reemplazarla por agua salobre subterránea de la formación de areniscas de Khreim, y/o Kurnub.
C.-Desarrollo de potencia hidráulica usando una diferencia de carga de 400 m en la línea principal.
D.-Desalinización de agua salobre subterránea por ósmosis inversa usando hidroenergía con una diferencia de carga de 200 m en la línea principal.

El agua salobre del subsuelo con salinidad de cerca de 400 ppm/TDS se extraerá de los campos de pozos de las formaciones Khreim y/o Kurnub cerca de Disi, en donde el potencial estimado en forma preliminar es de 1 m3/seg el cual se sustituirá con el agua fósil del acuífero Disi. El gasto promedio de la línea principal es de 17.5 X 106/año (0.555 m3/seg) lo que equivale a una capacidad de diseño de 0.663 m3/seg con una unidad operando 21 horas al día. El agua salobre escurre de los almacenamientos colectores (E.L=840 m) a las plantas desalinizadoras en el almacenamiento terminal (E.L=220 m), a través de los sistemas de tuberías existentes, pasando por las estaciones de potencia hidráulica, la primera a una elevación de 630 m y la segunda a 410 m. La capacidad instalada y la potencia de salida anual de las dos estaciones se estiman en 2078 kw y 15900 mwh por año, respectivamente. Las siguientes ecuaciones se utilizan suponiendo un 5% de pérdidas de carga por fricción, 0.80 de eficiencia sintetizada y 0.873 de eficiencia de generación:
Pth= 9.8*Q*He (1)
P= Pth*Ef (2)
WP= 365*24*Gf*P (3)

en donde;
Pth = Potencia hidráulica (KW)
Q = Gasto (m3/seg)
He = Diferencia de carga efectiva (m)
P = Capacidad instalada (KW)
Ef = Eficiencia sintética (-)
WP = Generación potencial anual (KWh)
Gf = Eficiencia de generación

El sistema de ósmosis inversa con hidro-energía está compuesto por 3 partes: 1a unidad de pre-tratamiento; 2a, unidad tubería de presión; y 3a unidad de OI. La unidad de pre-tratamiento se localiza junto a la salida de la segunda estación de mini hidroenergía (E.L=410 m), incluyendo filtros dobles (hidroantrácita y arenas finas) y una serie de filtros (de 5 microoms de tamaño). Despues de pasar por los filtros, el flujo de agua se conecta a una tubería de presión (línea principal entre 400 m y 220 m) para diseños de presión hidráulica de 18 Kg/cm2, la cual es usada directamente para transferir la presión de ósmosis necesaria para permear la membrana OI. El corazón de la unidad de OI es una membrana de baja presión, tipo espiral de 8 mm de diámetro, con las siguientes especificaciones: I) coeficiente de rechazo de sal del 99.4%, II) presión de operación de diseño de 18kg/cm2, III) valor de permeabilidad de diseño de 13 m3 por día, y IV) máxima temperatura de agua de operación de 40oC, y PH del agua de alimentación entre 6.0 y 6.5. Una unidad en serie de OI consiste en un circuito en serie de seis módulos. Se estima una recuperación del 60% del agua de alimentación, considerando 28800 m3/día de permeabilidad con una salinidad de 100 ppm de sólidos totales disueltos (STD) y 19,200 m3/día de rechazo de agua de 10,00 ppm de STD. La presión efectiva del agua retenida se estima en 15 kg/cm2, considerando pérdidas por frición de 3 k/cm2 en el circuito de OI. La recuperación de la energía potencial de la OI se estima en forma preliminar en 460 KW (=9.8*0.4*15*9.8*0.8) que equivale a generar electricidad de 2740 MWh por año, considerando una eficiencia de generación del 68%. El costo unitario de la permebilidad se estimó en US dólares 0.4/m3.
CANAL DE COMUNICACION DEL MAR MEDITERRANEO AL MAR MUERTO
El esquema del canal de comunicación del mar Mediterráneo al mar Muerto (MDS), conocido también como desarrollo de potencia hidrosolar, fue posible por la existencia de una vasta depresión (una porción de superficie de mar de 1000 km2 con una elevación de 400 m) a una distancia cercana al mar (72 km) y al clima árido característico de la región (con un alto grado de evaporación de 1600 mm por año al nivel del mar). El proyecto de hidroenergía MDS, como fue nombrado en 1980, se diseñó para aprovechar la diferencia de elevaciones entre el mar Mediterráneo (cero metros) y el mar Muerto (-402 m), comunicando a los dos mares.
DESARROLLO HIDRO-SOLAR CON DESALINIZACION POR OSMOSIS INVERSA APROVECHANDO LA HIDRO-ENERGIA
El plan del canal mar Mediterráneo-mar Muerto (MDS) de Israel se concibió para generar potencia hidroeléctrica (WPDC, 1980), pero no consideró el concepto de recursos compartidos, ni busca solución a la urgente necesidad de abastecer de agua potable. El esquema conjunto Israel/Jordania de conducción del mar Mediterráneo al mar Muerto, es una aplicación de co-generación que combina desarrollo hidrosolar con desalinización de agua de mar por ósmosis inversa (OI), aprovechando la hidro-energía (Fig. 2). El esquema, que podría mantenerse en un nivel estable con algunas fluctuaciones estacionarias de cerca de 2 metros, para mantener el nivel del mar entre los -402 y -390 m por debajo del nivel medio del mar, considera los siguientes aspectos:
1) Un almacenamiento aguas arriba (el Mediterráneo) con nivel de cero metros, y cantidad de agua ilimitada.
2) Un canal de transporte, considerando varios esquemas alternativos, dependiendo de la ruta elegida, pudiendo incluir un canal por gravedad, un túnel con planta de bombeo o un canal abierto por gravedad.
3) Un almacenamiento superior con válvula para protección contra el oleaje en la salida del canal de transporte y para regular el flujo de agua.
4) Un almacenamiento hidroeléctrico de operación inversa que permite al sitema trabajar también como planta de bombeo, cuando se requiera.
en la Figura 2 se observa el Esquema de conducción Mediterráneo - Mar Muerto de cogeneración
5) Un almacenamiento aguas abajo del mar Muerto, con una elevación de aproximadamente 402 m por debajo del nivel del mar.
6) Una planta desalinizadora por ósmosis inversa (OI) con hidro-energía, incluyendo planta de pre-tratamiento, unidad reductora de presión, unidad de OI, unidad de recuperación de energía, unidad de pos-tratamiento y almacenamientos reguladores para distribución.
La potencia hidráulica teórica, la capacidad instalada de potencia pico y la la generación potencial (potencia útil anual) se estimó en forma preliminar en 194 MW, 480 MW y 1.26x109 KWh por año, respectivamente, considerando 8 horas por día de operación de potencia pico, 1.03 de peso específico del agua en la obra de toma, gasto de 50.7 a 152.1 m3/seg, 5% de pérdida por fricción en la carga total, 0.85 de eficiencia sintética. La operación marginal del sistema por OI se diseñó para utilizar energía hidráulica en el sistema túnel-tubería (400m de carga diferencial) durante 16 horas al día de tiempo pico. Los requerimientos de agua para producir de 86,400 a 259,000 m3, por día de penetración con 1000 ppm de STD, se estimaron de 288,000 a 864,000 m3, considerando una proporción de recuperación del 30% (70% de rechazo de agua salada). La recuperción de energía por el rechazo de agua salada se estimó de 9,460 a 28,390 KW, considerando el 70% del agua rechazada. La energía recuperada (electricidad) puede producir 12 Kg/cm2 de presión, la cual será retornada a la unidad de control de presión para generar 50 Kg/cm2 de presión suficiente para permear agua de mar a través de la membrana de OI. El costo unitario de la permeabilidad se estimó en US dólares 0.9 por m3.
CONCLUSIONES
Los estudios sobre desalinización por ósmosis inversa aprovechando la hidro-energía, considerando las aplicaciones en Jordania (agua subterránea salobre) e Israel (agua de mar) mostraron una reducción sustancial en costos de operación y de energía, aspectos que han sido una de las mayores limitaciones a las prácticas de desalinización. La desalinización de agua salada por procesos de membrana con bajos requerimientos de energía, jugarán un papel importante en la planeación de los recursos hidráulicos en la siguiente década. El desarrollo conjunto Israel/Jordania del esquema de conducción mar Mediteraneo-mar Muerto se basa en el concepto de recursos compartidos y beneficios para los Estados vecinos del sistema de ríos de Jordania. El presente estudio pretende evaluar algunos enfoques no convencionales de los recursos hidráulicos que deben tomarse en cuenta para construir una nueva paz en el medio oriente. Estos nuevos enfoques ofrecen la oportunidad de introducir recientes aplicaciones de la tecnología probada para resover problemas añejos del agua y que son fuente de muchos de los conflictos.
REFERENCIAS
NRA-Howard Humphereys Ltd., “Groundwater Resources Study in the Shidiya Area”, Main Report, 1986, pp.49-112.
WPDC, INTERNATIONAL NEWS “Israel Decides on Canal Route”, Water Power & Dam Costruction, October 1980, p.4.

http://www.unesco.org.uy/phi/libros/uso_eficiente/murakami.html
http://www.unesco.org.uy/phi/libros/uso_eficiente/indice.html#masa