EL BINOMIO AGUA ENERGÍA EN CANARIAS

Transcripción

1

2 El ciclo hidrológico (1) Una parte importante de la energía que llega desde el Sol a la Tierra se transfiere en el calentamiento y consiguiente evaporación de las aguas en mares, océanos, lagos, ríos y tierras húmedas (un 18% de la energía que llega del Sol se emplea para este fin) (A presión atmosférica, 1kg de agua consume 539kcal para pasar a vapor) Las nubes de vapor de agua son trasladadas por el viento, y cuando encuentran aire más frío, transfieren parte de su energía térmica a éste, enfriándose y condensando de nuevo en agua, que cae en forma de lluvia (nieve o granizo, dependiendo de las condiciones en que se produce el cambio de estado) El agua que cae sobre la tierra se acumula en lagos (o en embalses construidos por el hombre), se infiltra en el subsuelo (rellenando los acuíferos), y corre por ríos y barrancos, desembocando de nuevo en el mar. El conjunto de estos cambios de estado y movimientos del agua, es lo que se conoce como ciclo hidrológico.

3 El ciclo hidrológico (2)

4 El ciclo hidrológico (3) Tiempo de permanencia del agua en el ciclo hidrológico

5 El ciclo hidrológico (4) Distribución del agua en la tierra

6 El ciclo hidrológico (5) Consumo de agua por sectores Usos del agua Pais % consumo de agua Consumo total Agrícola Industrial Doméstica m 3 /p año Estados Unidos España India

7 El ciclo hidrológico (6) Distribución del consumo doméstico Distribución del consumo doméstico País l/día Higiene personal Inodoro Lavado (ropa y vajilla) Cocina Bebida Otros (jardín, fregado) Estados Unidos % 32% 16% 2% 13% España 200 India 25

8 Escacez de agua potable y energía En muchas zonas del planeta, bien por la escasez de lluvia, o por la contaminación de las aguas, no existe agua potable en cantidad suficiente para satisfacer la demanda. En muchos casos se recurre a diversas tecnologías, como puede ser la construcción de embalses para almacenar el agua en periodos de lluvias intensas, perforar el subsuelo para extraer las aguas (fósiles) almacenadas en el mismo mediante pozos o galerías, desalar agua de mar o salobres y depurar aguas residuales. En todos los casos, el concurso de recursos energéticos es esencial. Al igual que la naturaleza desaliniza y depura las aguas mediante la energía solar, la tecnología realiza la misma función empleando fuentes de energía no renovables, dispuestas para tal fin.

9 Tecnologías de desalación (1) En términos generales, la desalación (de agua de mar o salobre) es un proceso mediante el cual se separan las sales contenidas en una disolución acuosa de la propia agua. En el caso de agua de mar, los procesos de desalación consiguen pasar de un contenido en sales de ppm (partes por millón) a menos de 500 ppm e incluso, en algunos de ellos, a agua pura. Dependiendo del sistema empleado, el consumo energético puede ser más o menos elevado, a partir de 0,76 kwh/m 3 que es el mínimo requerido para separar el cloruro sódico del agua pura.

10 Tecnologías de desalación (2) Las tecnologías de desalación pueden dividirse en tres grandes grupos: tecnologías basadas en proceso de cambio de fase (evaporación-condensación), tecnologías basadas en el intercambio de sales a través de membranas y otras tecnologías. Entre las tecnologías por cambio de fase destacan la Destilación Multiefecto (MED), la Destilación Súbita Multietapa (Destilación Flash-MSF), Compresión Mecánica de Vapor (MVC) y la Destilación de Simple Etapa. Dentro de las tecnologías de membranas se encuentran la de Osmosis Inversa (R.O) y la de Electrodiálisis Reversible (E.D.R.). Otras tecnologías son las de Separación por Congelación, Intercambio Iónico, etc.

11 Tecnologías de desalación (3) Destilación súbita multietapa (MSF) Conceptualmente, el proceso consiste en suministrar energía térmica al agua de mar (o salobre) hasta conseguir que esta se evapore. Luego se pone en contacto este vapor, obviamente carente de sales, con agua fría, a la que cede parte de su energía térmica, cambiando de nuevo el agua de la fase de vapor a la fase líquida (el agua así obtenida es agua pura) Para evitar las incrustaciones de sales que se producen cuando se calienta el agua de mar hasta la ebullición a presión atmosférica (próxima a los 100ºC) se produce un vacío en el interior de las cámaras de ebullición, con lo que se consigue que esta tenga lugar a una temperatura más baja. Así mismo, para optimizar el proceso se recupera la energía térmica contenida en el agua de condensación (que esta caliente), así como en la salida de salmuera caliente..

12 Tecnologías de desalación (4) Esquema básico de desalación por evaporación

13 Tecnologías de desalación (5) Esquema básico de desaladora MFS

14 Tecnologías de desalación (6) Primitiva planta MFS de Fuerteventura

15 Tecnologías de desalación (7) Desalación por compresión de vapor Conceptualmente, el proceso consiste en suministrar energía mecánica al vapor de agua (comprimiéndolo), para aumentar su temperatura (transfiriendo la energía mecánica externa a energía térmica del vapor de agua) Este vapor, contenido en tubos, se enfría con agua de mar rociada por el exterior, condensando una parte (pasando a fase líquida) y recogiéndose así el agua producto (agua destilada, y por tanto, pura)

16 Tecnologías de desalación (8) Esquema básico de desalación por compresión de vapor

17 Tecnologías de desalación (9) Esquema básico de desaladora CV

18 Tecnologías de desalación (10) Planta de C.V. de Fuerteventura Rotor del compresor de la planta C.V. de Fuerteventura

19 Tecnologías de desalación (11) Desalación por Ósmosis Inversa (1) Conceptualmente, el proceso de Osmosis Inversa consiste en aplicar energía mecánica sobre una disolución, para provocar sobre ella el fenómeno contrario a la osmosis natural. El fenómeno de osmosis natural o directa consiste en el paso de disolvente a través de una membrana semipermeable que separa dos disoluciones, con el mismo soluto y el mismo disolvente, pero con diferentes concentraciones. Ósmosis natural o directa

20 Tecnologías de desalación (12) Desalación por Ósmosis Inversa (2) El proceso de Osmosis Inversa consiste en provocar el paso de disolvente de la disolución más concentrada a la más diluida, aplicando sobre el primero una presión (exterior), superior a la osmótica (Para agua de mar la presión necesaria suele estar entre 50 y 70 bares, dependiendo del tipo de membrana) Ósmosis Inversa

21 Tecnologías de desalación (13) Esquema básico de la desalación por ósmosis inversa

22 Tecnologías de desalación (14) Las membranas semipermeables suelen fabricarse de acetato de celulosa, poliamidas, etc. Las membranas semipermeables pueden adoptar diversas configuraciones, intentando conseguir la máxima superficie de intercambio en el menor espacio. Las configuraciones más usuales son las membranas de fibra hueca y las membranas arrolladas en espiral (estas últimas son las más extendidas en la actualidad) Membrana arrollada en espiral

23 Tecnologías de desalación (15) Esquema básico de una planta desaladora de O.I.

24 Tecnologías de desalación (16) Batería de tubos de membranas en plantas de O.I. en Gran Canaria

25 Tecnologías de desalación (17) Desalacion por Electrodialisis Reversible (EDR) Conceptualmente, el proceso de electrodiálisis consiste en aplicar un campo eléctrico sobre el agua de mar, el cual ioniza las moléculas de cloruro sódico (ClNa) produciendose los iones cloro (Cl - ) y sodio (Na + ), y los atrae hacia las respectivas placas positiva y negativa. Interponiendo en este movimiento dos membranas selectivas (una que sólo deje pasar los aniones (Cl - ) membrana aniótica- y otra que sólo deje pasar los cationes (Na + ) membrana catiónica-, se consigue eliminar estas sales, y obtener agua dulce. Normalmente las plantas de electrodiálisis se componen de varios pares de membranas formando las denominadas pilas de membranas. Cuando se puede invertir la polaridad de las placas (para evitar las incrustaciones de las membranas selectivas con el paso del tiempo), reciben el nombre de plantas de electrodiálisis reversible.

26 Tecnologías de desalación (18) Esquema básico de desalación por electrodialisis

27 Tecnologías de desalación (19) Esquema básico de una planta EDR

28 Tecnologías de desalación (20) Planta EDR en Gran Canaria

29 Tecnologías de desalación (21) Consumos energéticos de los diferentes sistemas de desalación Consumos energéticos de los sistemas de desalación Calidad del agua entrada Sistema de desalación Calidad agua producto Consumo kwh/m3 Ósmosis Inversa sin recuperación < 500ppm 4,5-5,5 Mar o salobre Osmosis Inversa con recuperación <500ppm 2,5-3,5 Comprensión de vapor <100ppm 6-7 Agua salobre Electrodiálisis <100ppm 2-3

30 Sistemas de depuración de agua (1) Existen muchos sistemas para la depuración de aguas residuales, desde los sistemas naturales hasta los más complejos utilizados para la depuración de grandes caudales de agua, procedentes de ciudades o complejos fabriles.

31 Sistemas de depuración de agua (2) Esquema básico de una Estación de Depuración de Aguas Residuales Urbanas (EDAR)

32 Sistemas de depuración de agua (3) EDAR de Las Palmas de Gran Canaria

33 EL Binomio agua energía en canarias Problemática del agua en canarias Estas islas no se encuentran geográficamente situadas en una zona de lluvias elevadas, por lo que siempre han sufrido problemas de sequía. Sin embargo, las islas de mayor altitud se benefician de la lluvia horizontal, que no es más que la condensación en las laderas norte de la gran cantidad de vapor de agua arrastrada por los vientos alisios. Ello originó en estas islas una extensa capa vegetal, que al tiempo que favorece la condensación, sirve de retención de agua de escorrentía, y a la consecuente recarga de los acuíferos. En los últimos dos siglos, el aumento de la agricultura intensiva en agua, así como de la población, ha conducido a la extracción de agua del subsuelo, mediante pozos y galerías.

34 EL Binomio agua energía en canarias Extracción de agua fósil en las Islas Canarias (1)

35 EL Binomio agua energía en canarias Extracción de agua fósil en las Islas Canarias (2) Extracción de agua fósil en las islas de Gran Canaria y Fuerteventura En el caso de la isla de Gran Canaria se construyeron más de pozos, algunos de mas de 400 metros de profundidad, con la consecuencia de la práctica desaparición del acuífero y la consecuente desertización producida por este hecho (la extracción de aguas fósiles superó, con mucho, la recarga natural del mismo) En las islas de Fuerteventura y Lanzarote la situación era aún más dramática, por la escasez de lluvias y la fuerte salinización de las aguas de sus acuíferos. Esta situación de carencia de agua potable solo pudo paliarse con la introducción en las islas de las desaladoras de agua de mar.

36 EL Binomio agua energía en canarias Historia de la desalación en Canarias (1) La primera planta desaladora, del tipo MSF, se instaló en la isla de Lanzarote en el año 1964; a esta siguió otra del mismo tipo en Gran Canaria, de m 3 /día, en el año 1970 (producía agua y electricidad). En 1972 se instala la primera planta de Comprensión de Vapor en Lanzarote y en 1976 se instala la primera planta osmosis inversa para uso agrícola en Fuerteventura. En la década de se instalan plantas de C.V. y O.I. en las islas de Lanzarote, Fuerteventura y Gran Canaria, destacando la unidad de Las Palmas II, de O.I., con una producción de m 3 /día, primera en el mundo que incorpora membranas en espiral. En el año 1999 se instala la primera planta desaladora en Arona, isla de Tenerife, con una producción de m 3 /día. La mayor planta de desalación en las Islas Canarias es Las Palmas III, con una capacidad de producción de agua potable de m 3 /día y que abastece a una parte de la ciudad de Las Palmas, en la Isla de Gran Canaria.

37 EL Binomio agua energía en canarias Historia de la desalación en Canarias (2) La isla que tiene una mayor dependencia del agua de mar desalada es Lanzarote (el 99% del consumo), seguida de Fuerteventura (más del 60% del consumo total) y Gran Canaria. En todas estas islas, además de Tenerife, el agua desalada es el apoyo fundamental del desarrollo alcanzado y especialmente del gran auge turístico. (En Fuerteventura, por ejemplo, la población actual supera habitantes, sin contar los turistas residentes. Antes de la incorporación de las plantas de desalación, la isla, a duras penas, podía soportar personas, con aguas insalubres en muchos casos) En la actualidad se desalan en las Islas Canarias más de 154 Hm 3 /año, y se depuran más de 53 Hm 3 /año.

38 Plantas desaladoras en Canarias Desaladoras en Canarias Isla Capacidad m 3 /día Producción m 3 /año Principales instalaciones Puerto del Rosario m 3 /día Fuerteventura ,5 (Consorcio de Abastecimiento de Agua de Fuerteventura CAAF) Las Palmas m 3 /día Gran Canaria ,3 (Empresa Mixta de Aguas de Las Palmas EMALSA) Sureste m 3 /día Lanzarote ,0 Arrecife m 3 /día Santa Cruz de Tenerife m 3 /día Tenerife ,4 (Empresa Municipal de Aguas de Santa Cruz EMMASA) Adeje-Arona m 3 /día El Hierro ,0 La Graciosa ,0

39 Depuración de aguas residuales en Canarias Depuración en Canarias Concepto Lanzarote Fuerte ventur a Gran Canaria Tenerife Gomera El Hierro La Palma Consumo urbano, turístico e industrial (hm3/año) 11,4 8,5 57,3 70,2 1,7 0,5 Producción total de agua residual (hm3/año) 9,1 6,8 45,8 56,2 1,4 0,4 3,7 A.R. urbana disponible para depurar (hm3/año) 6,7 5,0 34,8 28,3 0,5 0,2 2,1 A.R. urbana depurada (hm3/año) 6,1 3,9 27,0 14,2 0,4 0,1 1,8 A.R. urbana reutilizada (hm3/año) 3,8 1,4 7,2 8,0 0,0 0,0 0,1

40 Desalación y depuración de aguas en Canarias

41 Consumo de energía eléctrica para desalación en Canarias Consumo de energía eléctrica en desalación Isla Capacidad m 3 /día Producción m 3 /año Consumo eléctrico (MWh y %) Fuerteventura , (17,0 %) Gran Canaria , (15,0 %) Lanzarote , (19,8 %) Tenerife , ( 6,3 %) El Hierro , ( 4,5 %) La Graciosa ,0

42 La desalación de agua con energía eólica en canarias (1) Introducción: En todo sistema eléctrico la igualdad entre la potencia de generación y la potencia demandada tiene que ser total e instantánea. Como la evolución de la demanda es incontrolable (depende de los usuarios del sistema eléctrico), el sistema de generación ha de ir ajustando su potencia en cada momento. (Si la generación estuviera soportada por varios grupos diesel, en las horas de menor consumo horas valle- varios de ellos podrían estar parados. Los que estén funcionando deberán ir ajustando su potencia a la demanda de cada instante, inyectando mas o menos combustible en sus motores. Obviamente, en las horas de máxima demanda horas punta - todos los grupos estarían funcionando, unos a plena carga, y otros regulando ).

43 La desalación de agua con energía eólica en canarias (2) Impacto de un parque eólico en la red eléctrica: Si en un sistema de este tipo se introduce un parque eólico, con una potencia nominal relativamente alta (por ejemplo, el 80% de la potencia térmica), se introduce una doble aleatoriedad: la de la demanda y la de generación eólica (que depende de la fuerza del viento en cada momento, y que puede oscilar entre amplios valores en cortos periodos de tiempo, así como a lo largo de las 24 horas del día, y de un día a otro. Entre las 22 y las 9 horas, la generación eólica supera a la demenda, igual que ocurre entre las 13 y las 17. En esos casos, la energía eólica podría almacenarse, por ejemplo, desalando agua y almacenándola. Estas plantas desaladoras deberán tener una capacidad de desalación variable.

44 La desalación de agua con energía eólica en canarias (3) Desalación con un parque eólico aislado de la red eléctrica: Otra opción sería desalar toda el agua a expensas solo de la energía eólica, con lo cual la curva de demanda disminuiría en un 20% (dependiendo de la isla). También se necesitan unas plantas desaladoras de capacidad variable, y unos depósitos de agua, calculados para acumular el agua desalada en los periodos de viento, y poder suministrar una demanda continua.

45 La desalación de agua con energía eólica en canarias (3) Resultados de los estudios teóricos: Las simulaciones teóricas indicaron también que para una superficie eólica dad, existe una combinación óptima de parque eólico y planta de desalación modulada (capacidad variable), que permite obtener la máxima cantidad de agua desalada, al menor coste posible. Tales costes son similares, o menores, que los obtenidos con plantas convencionales acopladas a la red eléctrica (energía térmica)

46 La desalación de agua con energía eólica en canarias (4) Trabajos prácticos (1): Entre los años 1996 y 2001 se desarrollo un proyecto experimental de desalación de agua de mar con energía eólica, en un sistema totalmente aislado de la red eléctrica, y se validaron los resultados experimentales. Se llevo a cabo en el Centro de Investigación en Energía y Agua (CIEA), del Instituto Tecnológico de Canarias (ITC), mediante el proyecto SDAWES (SEA WATER DESALINATION PLANT CONNECTED TO AN AUTONOMOUS WIND ENERGY SYSTEM) Este proyecto contó con un presupuesto superior a los 2 millones de euros, y fué financiado por la Unión Europea. Participarón en el mismo, además del CIEA-ITC, lider del proyecto, la empresa alemana ENERCON, la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria (departamentos de Ingeniería Mecácnica, de Electrónica y de Procesos), el Ministerio de Industria (CIEMAT), el National Energy Laboratory (NEL) y CREST, estas dos últimas instituciones del Reino Unido.

47 La desalación de agua con energía eólica en canarias (5) Trabajos prácticos (2): PROYECTO SDAWES El sistema estaba compuesto por dos aerogeneradores de 220KW cada uno, capaces de funcionar sin conectarlos a la red eléctrica, ocho plantas desaladoras de Osmosis Inversa (OI) de 25 m3/día de capacidad cada una, una planta de Compresión de Vapor (CV) de 90 m3/días y otra de Electródialis Reversible (EDR) de 200 m3/día. El sistema tenía un funcionamiento totalmente automatizado, y estaba dotado de un completo sistema de adquisición de datos (que registraba los datos de viento, producción de energía eléctrica del parque, consumos energéticos de las plantas, producción de agua desalada, calidad de estas, etc.)

48 La desalación de agua con energía eólica en canarias (6) Trabajos prácticos (3):PROYECTO SDAWES (2) Parque eólico aislado de la red del Proyecto Sdawes