28. sistema agua energía en canarias

28
SISTEMA AGUA ENERGÍA EN
CANARIAS
28.1. Introducción ...............................................................................711
28.2. Sistemas de desalación y consumo energético .................................713
28.2.1. Tecnologías de desalación .......................................................713
28.2.2. Consumos energéticos ...........................................................723
28.3. Sistemas de depuración de agua ...................................................723
28.4. Desalación de agua de mar en Canarias. Consumo energético. ..........726
28.5. Perspectivas de la desalación y depuración de aguas con
energías renovables en Canarias .....................................................729
28.5.1. Introducción .........................................................................729
28.5.2.- Problemática de la desalación de agua con energía eólica,
a gran escala, en redes eléctricas débiles ......................................730
28.5.3. La desalación de agua de mar a expensas de la energía eólica.....733
709
710
28. SISTEMA AGUA ENERGÍA EN
CANARIAS
28.1. Introducción
Tal como se vio en el capítulo 4, 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”.
Evaporación
oceánica
Evaporación
continental
Precipitación
oceánica
Precipitación
continental
Recolección del agua
de las precipitaciones
Continentes
Océanos
Figura 28.1. Ciclo hidrológico
711
Nubes 9-10 días
Evaporación
Lluvia/nieve
Lluvia
Océanos
3000-36000 años
Lagos 1-100 años
Ríos 13 días
Aguas subteráneas
300 años
Figura 28.2. Tiempo de residencia del agua en diferentes zonas
En la figura 28.2 se muestra el tiempo medio de residencia del agua en cada
zona.
La cantidad total de agua en la tierra (hidrosfera) se estima en 1.386 millones
de km3, de los cuales los océanos representan el 97,5% (agua salada, con un
2,5% del total en peso de sales). El resto (2,5%), un 68,9% está en forma
de hielo permanente (casquetes polares y glaciales), un 30% se encuentra
en el subsuelo (aguas subterráneas) y el resto (menos del 0,3% del total) se
encuentra en embalses, ríos, lagos, es decir, disponible para usos humanos.
Un aspecto importante de
resaltar es que una parte creciente de estos recursos disponibles están
siendo contaminados por
contaminantes de diversos orígenes, convirtiéndose en aguas no potables.
Recursos Hídricos Mundiales
0,3%
Lagos y ríos
97,5%
Agua de mar
29,9%
2,5% Agua dulce
Aguas
subterráneas
68,9%
Casquetes
polares y
glaciares
Figura 28.3. Distribución del agua en la Tierra
712
0,9%
Otros
El empleo que se da a este
recurso depende del nivel
de desarrollo del país, y
de la cantidad de lluvia
que cae (y de otros factores meteorológicos, como
horas de sol –insolación-,
temperatura, humedad,
tipos de suelos, etc.)
En la tabla 28.1 se muestran algunos valores medios por persona y año.
Tabla 28.1. Usos del agua
% consumo de agua
País
Consumo total
m3/p año
Agrícola
Industrial
Doméstica
Estados Unidos
41
49
10
1.692
España
71
22
7
1.174
India
93
4
3
520
En la tabla 28.2 se muestra el consumo doméstico, y su distribución porcentual
en los países desarrollados.
Tabla 28.2. Distribución del consumo doméstico
País
l/día
Higiene
personal
Inodoro
Lavado
(ropa y
vajilla)
Cocina
Bebida
Otros
(jardín,
fregado)
Estados
Unidos
523
37%
32%
16%
2%
13%
España
200
India
25
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.
28.2. Sistemas de desalación y consumo
energético
28.2.1. Tecnologías de desalación
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.
713
En el caso de agua de mar, los procesos de desalación consiguen pasar de un
contenido en sales de 35.000 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/m3 que es el mínimo requerido para
separar el cloruro sódico del agua pura.
Las tecnologías de desalación pueden dividirse en tres grandes grupos:
tecnologías basadas en proceso de cambio de fase (evaporacióncondensación), 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.
De todos estos sistemas, los más empleados, y que se describen brevemente
son:

Destilación Súbita Multietapa.

Compresión Mecánica de Vapor.

Osmosis Inversa.

Electrodiálisis Reversible.
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)
Tubo con aletas
Gotas de condensado
en la pared exterior
del tubo
Agua fría
para condensación
Agua caliente
Bandeja de
condensación
Condensado
(agua pura caliente)
Entrada de
salmuera fría
Salida de
salmuera caliente
Mechero
Combustible
Figura 28.4. Esquema conceptual de la desalación por destilación
714
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.
La figura 28.5 muestra el esquema básico de una planta desaladora MSF,
compuesta en este caso por 4 etapas.
50ºC
40ºC
30ºC
Quemador
60ºC
Agua
de mar
Agua
destilada
70ºC
60ºC
50ºC
40ºC
75ºC
Salmuera
30ºC
Figura 28.5. Esquema conceptual de una planta MSF
El agua de mar se introduce como fluido de condensación en la 4ª etapa,
donde la temperatura del vaporización es más baja (y el vacío más alto, para
que pueda hervir a esa temperatura)
El agua fria de mar incrementa un
poco su temperatura (su energía
térmica) y pasa a la 3ª etapa,
donde vuelve a actuar como
fluido de condensación en un
vapor que se encuentra a mayor
temperatura (y un vacío menor
que el de la 4ª etapa)
Lo mismo ocurre en las etapas 2ª
y 1ª, saliendo de esta última a la
temperatura más alta.
Esa agua de mar, calentada por
el vapor en las diferentes etapas,
recibe más energía del exterior
(por medio de un quemador,
en este caso, o por vapor más
caliente procedente de otro
proceso, como puede ser una
turbina de vapor), elevando su
temperatura e inyectándose por
la parte inferior de la 4ª etapa.
Aquí se produce su primera
Figura 28.6. Planta MSF de Fuerteventura (primera de la isla)
715
ebullición, de acuerdo con la temperatura y presión existente en esa cámara.
El agua que continúa líquida tiene ahora una mayor proporción de sales,
conformando la salmuera.
La salmuera de la primera fase pasa a la 2ª, donde se evapora más agua (la
presión es menor), y se concentra aún más. Así continúa hasta la 1ª fase,
desde donde se extrae al exterior con el máximo nivel de concentración
(la energía térmica contenida en la salmuera se transfiere en parte a la
alimentación de agua de mar, para que no entre tan fría en la 1ª etapa)
Parte del vapor producido en cada etapa condensa, cae en la bandeja de
condensado, y se extrae de la planta. (El agua pura, que necesita ser tratada
con posterioridad para convertirla en agua potable)
Destilación por comprensión 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)
Rociadores de agua
Entrada de agua
de mar precalentada
Pistón
Salida de
condensado
Orificio de
paso de vapor
Salida de
salmuera
caliente
Figura 28.7. Esquema conceptual de la desalación por compresión
del vapor
En la figura 28.7 se muestra el esquema conceptual de este proceso.
Inicialmente, en la cámara cerrada se encuentra vapor de agua, incluso
dentro del tubo de condensación (previamente se ha evacuado el aire).
Al accionar el pistón hacia la derecha, el vapor se comprime (ligeramente)
dentro del tubo e incrementa su temperatura (al igual que ocurre en un
fuelle de rueda de bicicleta, por ejemplo). En ese momento se deja caer
agua de mar por la parte exterior del tubo, con lo cual enfría el vapor que se
encuentra dentro del tubo y parte de él se condensa.
Parte del agua del mar rociada se evapora y queda en la cámara cerrada.
El resto de esta agua, más concentrada en sales, cae al fondo del depósito,
constituyendo el concentrado. Para evitar la evaporación del agua de mar a
alta temperatura (100ºC), se crea un ligero vacío (el vapor en la cámara se
encuentra a una presión inferior a la atmosférica), haciendo que el agua se
evapore a 40-60ºC.
716
Rociador de salmuera
Tubos de transferencia
Compresor
Motor
eléctrico
Condensado
Salmuera
Evacuación
de salmuera
Evacuación de
agua producto
Agua de mar
Cambiador
de calor
Válvula
Bomba de recirculación
de salmuera
Figura 28.8. Esquema básico de una planta de desalación CV
Esta operación se repite con
cada embolada del pistón,
obteniéndose así un cierto caudal de agua producto.
La salmuera se va evacuando, de manera que se mantenga un nivel constante en
el fondo de la cámara. Para
optimizar el proceso, el agua
de mar se calienta utilizando
la más alta energía térmica
de la salmuera, mediante un
intercambiador de calor (no
dibujado en el esquema)
La figura 28.8 muestra un esquema básico de una planta
de Comprensión de Vapor.
Consta de un compresor rotativo accionado por energía
eléctrica (similar a un ventilador) que impulsa el vapor
de agua de mar a través de
un haz de tubos, haciendo
que se incremente (ligeramente) su temperatura (proporcionalmente el aumento
de presión)
Figura 28.9. Planta de CV del Consorcio de
Abastecimiento de Agua de Fuerteventura
Como se ve, el vapor retorna
al compresor por la parte interior del haz de tubos.
717
En la parte superior se
encuentran los rociadores de salmuera la cual,
al caer por el exterior de
los tubos, enfría el vapor
de su interior, haciendo
que se condense en parte, al tiempo que parte
de esta propia salmuera se evapora (en estos
sistemas industriales, es
la salmuera la que se recircula). El agua de mar
se va mezclando con la
salmuera, a medida que
Figura 28.10. Detalle del rotor del compresor
el nivel de esta va bajando (obviamente, el
descenso de nivel es debido a la evacuación de agua producto)
El agua condensada en el interior de los tubos (agua producto) se recoge en
unos depósitos laterales, y se evacua al exterior.
Osmosis Inversa
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.
En la figura 28.11 se encuentran a ambos lados de la membrana dos
disoluciones (agua salada), a la derecha poco concentrada en sales, y a
la izquierda con una concentración mucho mayor (en ambos lados, con la
misma presión hidráulica –misma altura-)
(a)
(b)
�h
Agua
Cl Na
Moléculas
de Cl Na
Membrana
semipermeable
Moléculas
de H2 O
Figura 28.11. El fenómeno de la ósmosis natural
718
P > Posm
�h
Figura 28.12. El fenómeno de la ósmosis inversa
Las moléculas de agua pura atraviesan fácilmente la membrana (debido a
su agitación térmica y a fenómenos de difusión) mientras que las de cloruro
sódico ClNa, de mayor tamaño, no pueden hacerlo.
Como resultado se produce un flujo neto de disolvente de la parte derecha
a la izquierda, en el sentido de diluir la solución más concentrada. Ese flujo
continúa hasta que la diferenta de nivel ∆h produzca suficiente presión
hidrostática, en cuyo momento se iguala el flujo de disolvente en ambos
sentidos.
Esta presión hidrostática se denomina presión osmótica, y depende
directamente de la concentración del soluto en la disolución a ambos lados
de la membrana semipermeable.
En el caso de agua sin sales y agua de mar, la presión osmótica (Posmo)
alcanza los 26,1 bares.
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 (Figura 28.12)
Esquemáticamente (figura 28.13), una planta para desalar agua de mar
estaría constituida por una bomba, capaz de suministrar una presión superior
a la osmótica (en la práctica por encima de los 60 bares, dependiendo del
tipo de membrana), un tubo por donde se hace circular el agua de mar a
presión de paso del agua salada (que se va concentrando en sales a medida
que pasa agua pura al otro lado de la membrana), una válvula para regular
la presión, la membrana semipermeable y otro tubo por donde sale el agua
sin sales (o con muy poca cantidad), que atravesó la membrana.
Las membranas semipermeables suelen fabricarse de acetato de celulosa,
poliamidas, etc. Las membranas semipermeables pueden adoptar diversas
Válvula de control
de la presión
P > Posm
Salmuera
Membrana semipermeable
Agua dulce
Agua de mar
Figura 28.13. Esquema básico de la desalación por ósmosis inversa
719
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)
En la figura 28.14 se observa la composición de una membrana arrollada
en espiral. Consta de varias “capas”. Por una de ellas circula el agua de
mar (en paralelo al eje del tubo soporte); luego se encuentra la membrana
semipermeable propiamente dicha; por último se encuentra otra capa que
evacua el agua producto.
Figura 28.14. Membrana arrollada en espiral
En la figura 28.15 se muestra el esquema básico de plantas de Osmosis
Inversa.
Filtro de arena
Filtro
de cartucho
Bomba de
alta presión
Tubos de membranas
Agua
de mar
Pretratamiento
químico
Salmuera a alta presión
Recuperador
de energía
Salmuera
a baja presión
Agua
producto
Figura 28.15. Esquema básico de una planta de Osmosis Inversa
Consta del sistema de filtración del agua de mar o salobre (filtrado grueso,
mediante filtros de arena, y fino, mediante filtros de cartucho), un sistema
de tratamiento químico del agua de mar, la bomba de alta presión (60-70
bares), las membranas de Osmosis Inversa, (colocadas en baterías de tubos,
para grandes producciones), la válvula de control de presión, el sistema de
720
Figura 28.16. Planta de Osmosis Inversa de INALSA, en Lanzarote
recuperación de energía (la salmuera sale a una presión de 57-68 bares, y
esa energía es “recuperada” en las plantas más modernas), y el sistema de
lavado de las membranas ( no representado en la figura)
Figura 28.17. Planta de Ósmosis Inversa Las Palmas III, en Gran Canaria
En las plantas de Osmosis Inversa, el porcentaje de agua de producto,
respecto del agua salada introducida en la planta, suele oscilar un 30% y un
40%.
721
Electrodiálisis
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.
Cátodo
+ (a) Situación sin
aplicar corriente
eléctrica
Ánodo
-
Agua de
mar
-
+
(b) Al aplicar una
corriente eléctrica
-
+
(c) Resultado final
después de aplicar
una corriente
eléctrica
Agua producto (sin sales)
Membrana
aniónica
Membrana
catiónica
Salmuera (agua con
alta concentración
de sales)
Placa
metálica
Anión
Catión
Figura 28.18. Esquema básico de la desalación por electrodiaslisis
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.
722
Membranas
selectivas
Aporte
agua salada
+
+
-
-
Ánodo
-
-
+
+
+
Cátodo
+
-
+
Rechazo
Agua
producto
Figura 28.19. Esquema básico del
funcionamiento de una planta
desaladora EDR
Figura 28.20. Planta de EDR de ELMASA, en San
Agustín, Gran Canaria
Por su alto consumo de energía eléctrica, sólo se emplean con aguas salobres (obteniéndose un agua producto de gran calidad)
28.2.2. Consumos energéticos
En la tabla 28.3 se muestran los consumos energéticos para desalación
de agua de mar, en kWh/m3 para los diferentes sistemas de desalación
descritos.
Tabla 28.3. Consumos energéticos de los sistemas de desalación
Calidad del agua
entrada
Mar o salobre
Agua salobre
Calidad agua
producto
Consumo
kWh/m3
Ósmosis Inversa sin
recuperación
< 500ppm
4,5-5,5
Osmosis Inversa con
recuperación
<500ppm
2,5-3,5
Comprensión de vapor
<100ppm
6-7
Electrodiálisis
<100ppm
2-3
Sistema de desalación
28.3. Sistemas de depuración de agua
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.
En la figura 28.21 se muestra el esquema de una Estación Depuradora de
Aguas Residuales (EDAR), con las cinco etapas posibles: pretratamiento,
tratamiento primario, tratamiento secundario, tratamiento terciario y
tratamiento de lodos (además de la obtención de biogás)
723
Tratamiento
primario
Pretratamiento
Aguas
residuales
Depósito
Decantación
secundaria
Arenas y
grasas
Estación de
bombeo
Desarenado.
Desengrasado
Producción
de biogás
Espesado
de lodos
Lodos utilizables
en agricultura
Reactor de
lecho bacteriano
Decantación
primaria
Desbaste por
rejillas
Tratamiento
secundario
Lodos
primarios
Lodos secundarios
Digestión
de lodos
Agua
depurada
Biogás
Desalación por
ósmosis inversa
Filtro
Tratamiento de lodos
Generador eléctrico a partir
de la combustión de biogás
Rechazo
Agua
producto
Tratamiento terciario
Figura 28.21. Esquema básico de una EDAR
En el tratamiento se eliminan los sólidos de gran tamaño (papeles, plásticos,
etc.) y los sólidos finos (arenas), mediante unas tamices de rejillas y
desarenadores y desengrasadores.
El tratamiento primario consta de unos tanques donde se depositan en
el fondo, por gravedad, los sólidos en suspensión de mayor densidad (un
60% de estos, y un 30% de materia orgánica). Para eliminar los sólidos
en suspensión que quedan flotando y semisumergidos (cuya densidad es
próxima a la del agua), así como las grasas, se introducen burbujas de aire
que fijan estas partículas y las hacen flotar, retirándose de la superficie por
medios mecánicos.
Las partículas coloidales se desestabilizan mediante coagulantes,
agrupándose en “flóculos”, que se retiran con los dos anteriores, según floten
o caigan al fondo (los lodos de fondo se retiran, periódicamente, por medios
mecánicos)
El tratamiento secundario, o tratamiento biológico, se realiza por medio de
seres vivos, microorganismos aerobios, y con ellos se eliminan las sustancias
orgánicas que aún permanecen en el agua.
Para el tratamiento secundario suelen emplearse tres métodos diferentes:
los “lodos activados”, los “lechos bacterianos” y la “desinfección”.
Con el primero se dejan crecer bacterias en el tanque de agua, agitando y
aireando ésta, de manera que los flóculos formados no sedimentan. Luego
724
se envía esta mezcla de bacterias y residuos a un clarificador o decantador,
desde donde caen al fondo, formando una masa de fangos, muy ricos en
microorganismos y materia orgánica. Por este motivo, una parte de los lodos
se devuelven al tanque de aireación. Con la retirada y tratamiento de estos
fangos se elimina un 85-90% de la materia orgánica disuelta.
En el segundo método, el agua residual procedente del tratamiento
primario se hace pasar por un filtro “vertical”, de varios metros de altura,
formados por piedras en cuya superficie se encuentran los microorganismos
descomponedores formando una película.
Los filtros contienen unos drenajes por su parte inferior, para extraer el agua
depurada.
La desinfección se usa a continuación de cualquiera de los dos tratamientos
anteriores, y tiene por objeto eliminar las bacterias patógenas. Consiste en
una cloración, ozonización (tratamiento con ozono) o mediante radiación
ultravioleta (menos empleada)
El tratamiento terciario tiene como objeto la eliminación de metales pesados,
sales, fósforo, nitrógeno y otras sustancias inorgánicas.
Los métodos más empleados son la micro y ultrafiltración, la osmosis inversa
y la electrodiálisis.
En el tratamiento de los lodos, las fases más usuales son su concentración (en
espesadores), la destrucción de la materia orgánica con la correspondiente
producción de biogás (en digestores aerobios o anaerobios), el secado, la
incineración (para producción de energía) y/o la evacuación (a vertederos)
También puede fabricarse “compost”, para su aplicación como abono, siempre
que los fangos no contengan componentes químicos tóxicos.
Figura 28.22. Planta EDAR de Las Palmas de Gran Canaria
725
28.4. Desalación de agua de mar en Canarias.
Consumo energético.
Las Islas Canarias constituyen un paradigma en todo lo que se refiere al
binomio agua-energía.
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.
En el caso de la isla de Gran Canaria se construyeron más de 6.000 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)
Infiltración
Galería improductiva
Naciente
Galería productiva
Pozo improductivo
Pozo productivo
Nivel
freático
Acuífero
Rocas impermeables
Figura 28.23. Acuífero y extracción de aguas en una isla
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.
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 20.000
726
m3/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 1980-90 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 36.000m3/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 20.000m3/día.
La mayor planta de desalación en las Islas Canarias es Las Palmas III, con una
capacidad de producción de agua potable de 58.000m3/día y que abastece a
una parte de la ciudad de Las Palmas, en la Isla de Gran Canaria.
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 100.000
habitantes, sin contar los turistas residentes. Antes de la incorporación de
las plantas de desalación, la isla, a duras penas, podía soportar 10.000
personas, con aguas insalubres en muchos casos)
En la actualidad se desalan en las Islas Canarias más de 154 Hm3/año, y se
depuran más de 53 Hm3/año.
En las tablas 28.4 y 28.5, y en la figura 28.23 pueden verse estos valores
para cada isla.
Tabla 28.4. Desaladoras en Canarias
Isla
Fuerteventura
Gran Canaria
Capacidad
m3/día
32.615
249.553
Producción
m3/año
11.190.206,5
85.621.634,3
Principales
instalaciones
Puerto del Rosario 15.000
m3/día
(Consorcio de
Abastecimiento de Agua de
Fuerteventura CAAF)
Las Palmas 100.000 m3/día
(Empresa Mixta de Aguas
de Las Palmas EMALSA)
Sureste 25.000 m3/día
Lanzarote
69.680
23.907.208,0
Arrecife 40.000 m3/día
(Insular de Aguas de
Lanzarote INALSA)
Santa Cruz de Tenerife
21.000 m3/día
(Empresa Municipal de
Aguas de Santa Cruz
EMMASA)
Adeje-Arona 20.000 m3/día
Tenerife
96.094
32.969.851,4
El Hierro
600
205.860,0
50
17.155,0
La Graciosa
727
Fuerteventura
Gran Canaria
Tenerife
Gomera
El Hierro
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
Número de plantas
depuradoras operativas
5,0
6,0
40,0
11,0
5,0
2,0
6
Concepto
Consumo urbano,
turístico e industrial
(hm3/año)
Figura 28.24. Plantas desaladoras y depuradoras en las Islas Canarias
728
La Palma
Lanzarote
Tabla 28.5. Depuración en Canarias
(Los valores anteriores no incluyen las plantas de desalación privadas. En la
isla de Lanzarote, estas plantas suponen el 28% de la producción)
Como es fácil de suponer, el consumo energético para producir toda esta
agua desalada es elevadísimo, superándose en el caso de Lanzarote el 20%
de la demanda de energía eléctrica para este fin.
En el caso de la isla de Gran Canaria, al consumo de electricidad de las
plantas desaladoras hay que sumar el consumo de bombeo de agua en pozos
profundos, también muy elevados. En todos los casos, la energía eléctrica se
obtiene a partir de fuentes de energía no renovables (petróleo en este caso),
en centrales térmicas con un bajísimo nivel de eficiencia.
Por eso puede afirmarse que el futuro del agua en Canarias, y por tanto,
del mantenimiento del número de habitantes actuales y de la calidad de
vida alcanzada dependen, casi totalmente, del suministro (y precios) del
petróleo.
De ahí el gran interés, auténticamente estratégico, de poder desalar estas
ingentes cantidades de agua de mar con recursos energéticos propios
(energías renovables, eólica y solar, principalmente)
En la tabla 28.6 puede verse el consumo de energía eléctrica para desalación
de aguas en las Islas Canarias.
Tabla 28.6. Consumo de energía eléctrica en desalación
Isla
Fuerteventura
Capacidad
m3/día
Producción
m3/año
Consumo eléctrico
(MWh y %)
32.615
11.190.206,5
55.950 (17,0 %)
249.553
85.621.634,3
428.105 (15,0 %)
Lanzarote
69.680
23.907.208,0
119.535 (19,8 %)
Tenerife
96.094
32.969.851,4
164.845 ( 6,3 %)
El Hierro
600
205.860,0
1.025 ( 4,5 %)
50
17.155,0
Gran Canaria
La Graciosa
28.5. Perspectivas de la desalación y depuración
de aguas con energías renovables en
Canarias
28.5.1. Introducción
En el punto anterior se ha visto el gran consumo de electricidad) generado
con petróleo) que se produce en la desalación de agua de mar en la mayoría
de las islas canarias. Las perspectivas son que este consumo (próximo
al 20% del total de energía eléctrica en la actualidad) se incrementará,
considerablemente, en los próximos años.
729
Ello supone una dependencia creciente del agua potable que se consume
en las islas de la disponibilidad y precio del petróleo, con todo lo que esto
significa.
Al mismo tiempo, las islas cuentan con elevados recursos en energías
renovables, especialmente eólica (la mas desarrollada y competitiva) y solar.
La cuestión es ¿podrán las energías renovables, por si solas, abastecer las
demandas de agua potable de las islas?. Y si no en su totalidad, ¿en que
proporción, y a que costes?
Todos estos interrogantes fueron estudiados en el marco del proyecto
CANARIAS EÓLICA 2000, desarrollado en varios departamentos de la
UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA.
En particular, en el DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA se llevó a
cabo un proyecto de investigación, entre los años 1988 y 1991, titulado
OPTIMIZACIÓN TÉCNICO – ECONÓMICA DE SISTEMAS DE DESALACIÓN
ACCIONADOS POR ENERGÍA EÓLICA que permitió responder, con bastante
exactitud, a todos los interrogantes anteriores.
28.5.2.- Problemática de la desalación de
agua con energía eólica, a gran
escala, en redes eléctricas débiles
En el Capítulo 6 se vio que en todo sistema eléctrico la igualdad entre la
potencia de generación y la potencia demandada tiene que ser total (si se
producen desequilibrios, la frecuencia y la tensión en la red se ven modificadas
– el sistema se desestabiliza- con todos los problemas que ello acarrea, como
roturas de aparatos eléctricos, etc.)
Esta igualdad, dependiendo del tamaño del sistema eléctrico, ha de ser prácticamente instantánea. Como la evolución de la demanda es incontrolable
(depende de los usuarios del sistema eléctrico), el sistema de generación
W
Generación
térmica
500
Demanda
h
0
1
2
Figura 28.25. Curvas de generación – demanda en un sistema eléctrico
equilibrado
730
ha de ir ajustando su potencia n 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”).
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.
En la figura 28.26 se ha superpuesto la potencia de un hipotético parque
eólico con la curva de producción térmica y de demanda.
W
Generación eólica
Generación
térmica
Demanda
total
h
0
1
2 3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Figura 28.26. Generación eólica en un sistema eléctrico
Se observa que entre las 0 y las 9 horas la producción del parque eólico
supera a la demanda, con lo cual este sería suficiente para abastecerla, e
incluso habría de pararse cierto número de aerogeneradores del parque.
Entre las 9 y las 13 horas la demanda supera a la potencia eólica, con lo cual
habrían de arrancarse grupos diesel (excepto que de alguna manera pudiera
“disminuirse la demanda”). Entre las 13 y las 17 horas la oferta eólica vuelve
a superar a la demanda, con los mismos efectos que en el periodo 0 – 9
horas. Entre las 17 y las 21 horas de nuevo habría que arrancar grupos diesel
(en número diferente al periodo 9 – 13 horas). Finalmente, entre las 21 y las
24 horas de nuevo la oferta eólica es superior a la demanda, y podrá volverse
a desconectar la potencia térmica. (Es fácil de comprender que si en lugar de
grupos diesel, de fácil arranque y parada, la central térmica esta compuesta
por grupos de vapor, estas maniobras son prácticamente imposibles).
731
Así como la desconexión de los grupos diesel implica un ahorro de combustible,
la desconexión de aerogeneradores implica el “desaprovechamiento” de
esta energía, cosa que no ocurriría si pudiera almacenarse este energía
excedentaria.
Para almacenar grandes cantidades de energía caben varias opciones:
bombear agua entre dos pantanos, cuando la producción eólica supere a
la demanda y generar luego energía eléctrica cuando la potencia eólica sea
inferior a la demanda; producir hidrógeno con la energía eólica excedentaria y
almacenarlo para luego “quemarlo” en motores o pilas de combustible cuando
la energía eólica sea deficitaria; convertir la energía eólica excedentaria
en un “producto” de alta demanda, que necesite energía eléctrica para su
fabricación, y que pueda se almacenado.
Este último es el caso, precisamente, del agua potable obtenida por desalación
del agua de mar.
En la figura 28.27 se observa que se podría desalar agua como modo de
almacenar el exceso de energía eólica en los intervalos 0 a 9 horas, 13 a 17
horas y 22 a 24 horas. Pero hay que tener en cuenta que las plantas desaladoras tendrán que tener una capacidad variable para acomodar su potencia
a los excesos de energía disponibles en cada
Generación eólica
instante (lo que se conoce en el argot técGeneración
nico como “demanda
térmica
controlada”). El resto
de las horas del día las
plantas
desaladoras
habrán de estar paradas, o funcionando a
expensas de la energía
térmica.
W
Demanda
sin desalación
h
0
1
2 3
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Otra opción posible
para
aprovechar
la
energía eólica en la desalación de aguas sería
el accionamiento de las
plantas desaladoras a
expensas,
exclusivamente, de la energía
del viento, aún estando
conectadas al sistema
eléctrico.
Además del ahorro de
combustibles
fósiles
producido (petróleo en
el caso de Canarias), y
de la contaminación consecuente, esta opción implica una mayor estabilidad
en las redes eléctricas débiles, dado que o bién la conexión de parques eólicos a la red es menor, o bien es inexistente (en el caso de parques eólicos
aislados de la red y destinados solamente a la producción de agua potable)
Figura 28.27. Excedentes de energía eólica destinados a
desalación de agua de mar
Esto supone, en el caso de algunas islas, la disminución de la curva de demanda de energía eléctrica en un 20% en algunos casos (línea de trazos en
la figura). Este es el supuesto que se estudió en profundidad en el marco del
proyecto de investigación CANARIAS EÓLICA 2000.
732
28.5.3. La desalación de agua de mar a
expensas de la energía eólica
En los estudios técnicos–económicos efectuados en el marco del proyecto
CANARIAS EÓLICA 2000 se diseñó y analizó el comportamiento de tres
sistemas de desalación de agua de mar con accionamiento eléctrico, para
acoplarlos a parques eólicos en forma aislada: Tales fueron la Ósmosis
Inversa, la Electrodialisis Reversible y la Compresión de Vapor.
Los estudios condujeron a desechar los sistemas de Compresión de Vapor y
Electrodialisis, mostrándose el de Ósmosis Inversa como el mas factible.
En el caso de parques eólicos aislados de la red y acoplados a plantas
desaladoras de ósmosis inversa se consideraron varias alternativas de
funcionamiento de estas últimas: planta “modular”, compuesta de varios
módulos de igual capacidad (cada uno de ellos constituía una auténtica
planta desaladora), y que se van acoplando o desacoplando (arrancando y
parando) de acuerdo con la potencia eólica disponible en cada momento, y
funcionando todas ellas en régimen nominal (a caudal y presión constantes);
planta también modular, pero en la que las condiciones de trabajo de los
diferentes módulos podían hacerse varia entre ciertos límites (lo que equivale
a variar, dentro de un cierto rango, la potencia absorbida por los módulos, y
con ellos, de la planta completa)
El estudio comprendió una fase teórica, con la construcción del correspondiente modelo matemático de todo el sistema parque eólico –planta desaladora modulada y aislada de la red eléctrica, y otra fase experimental, donde
se ensayaron los diferentes sistemas de desalación acoplados a un parque
eólico en aislado.
En la fase teórica se simularon parque eólicos de diferentes potencias (distintos tipos de aerogeneradores, y en diferente número) y plantas desaladoras con diferente número de módulos y diferentes potencias de estos.
Se plantearon dos objetivos: la máxima capacidad de desalación que podría obtenerse a partir
de un área eólica dada
(lo que suponía que la
selección de un tipo de
aerogenerador condicionaba el número de
Parque eólico
estos que podían ser
(Con un número
instalados en el área),
fijo de máquinas)
y la máxima capacidad
de desalación que podría obtenerse con el
coste mínimo del agua
desalada.
(Cada módulo es una
planta desaladora de
O.I. completa, con todos sus sistemas)
Para un área eólica determinada, con un perfil del viento también
determinado,
resulta
sencillo determinar el
tipo de aerogenerador
del mercado que pro-
M1
M2
M3
M4
M5
Área eólica
Planta desaladora
modulada
Figura 28.28. Sistema parque eólico–planta de
desalación de O.I. modulada
733
duce la máxima energía eléctrica anual (potencia unitaria y número de máquinas).
A partir de este dato es fácil suponer que cuantos más pequeños sean los
módulos de desalación que se acoplan, más energía puede aprovecharse, y
más agua puede producirse.
Por ejemplo, si el parque eólico tiene 10 MW, y se colocan 100 módulos de desalación de 100 KW
cada uno, con una producción unitaria de 125.000 m al año y si el viento soplara con la máxima
intensidad todo el año, podrían obtenerse 12,5 Hm/año. Cuando el viento desciende un poco
su intensidad, se pararía un módulo y se perdería la capacidad de desalación correspondiente. Si
siguiera descendiendo, se irían desconectando 2,3,4…n módulos sucesivamente. Sin embargo, si
los módulos hubieran tenido cada uno de ellos una potencia de 500KW, es obvio que una pequeña
disminución de la intensidad del viento, que obligase a la parada del primer módulo, hubiera
supuesto una pérdida de producción de agua desalada mucho mayor.
Sin embargo, si ahora se contempla el sistema parque – planta desde el
punto de vista económico, es evidente que cuanto mas pequeño sean los
módulos (y por tanto, cuanto mas numerosos), mas costoso resultara el
conjunto, y mas costosa el agua producida.
En el ejemplo anterior, de 100 módulos de 100 KW cada uno, acoplados a un parque eólico de
10MW, es fácil suponer que los “últimos módulos” (por ejemplo, del número 80 en adelante)
entrarán en funcionamiento muy pocos días al año (solo cuando el viento sople a una intensidad
muy elevada). En consecuencia, si se prescinde de esos módulos (solo se instalan 80, por ejemplo),
la producción de agua será menor al cabo del año, pero el precio de la planta también será menor.
La consecuencia puede ser que el coste del m3 de agua producida también será menor.
€/m3
0
10
20
30
40
50
60
70
Nº
módulos
Figura 28.29. Curva coste agua desalada–número de módulos (para un
aerogenerador y tamaño del módulo determinados)
El modelo matemático indicó que para cada “área eólica” (en la que se podía
“jugar” con diferentes tipos de aerogeneradores y diferentes números de estos
– cuanto mas pequeños, mas cabrían en el área-) había una combinación
óptima entre el tipo de aerogenerador y el tamaño y número de los módulos
de desalación que producía la mayor cantidad de agua posible a un coste
mínimo de la misma.
734
Dado los costes muy diferentes de los aerogeneradores y de las plantas
de Ómosis Inversa, la simulación también indicó que era preferible
“desaprovechar” energía del parque eólico y “maximizar” el aprovechamiento
de la planta de desalación mdulada. (Un factor de capacidad de la planta de
desalación del 70% frente a un factor de capacidad del parque eólico del
20% serian valores mas convenientes)
También se constató la alta sensibilidad del coste del m3 de agua desalada a
la velocidad media anual del viento en el área del parque eólico.
En cualquier caso, para vientos medios superiores a los 7 m/s de media
anual, los costes del agua eran similares a los obtenidos a partir de las
energías fósiles (a los costes de estas correspondientes al año 1990)
En el año 1991, y con las tecnologías de aerogeneradores y plantas
desaladoras de la época, se realizó un estudio del potencial desalador del
viento en las íslas de Gran Canaria, Fuerteventura y Lanzarote, con los
resultados mostrados en a tabla 28.7.
Tabla 28.7. Potencial desalador del viento
Isla
Potencia
parque
MW
Nº módulos OI
1000 m3/día
c/u
Caudal
anual
obtenible
Hm3
% sobre el
consumo de la
isla en 1990
Gran Canaria
286
852
99
57
Fuerteventura
162
480
12
120
Lanzarote
300
902
7
32
(Con la tecnología actual, y con una mejor optimización de las áreas eólicas
en estas tres islas, las cifras podrían multiplicarse por un factor de 1,5 – 2).
En el caso de la isla de Gran Canaria,
el caudal de agua obtenible a partir
de le energía eólica, 99 Hm3 al año,
equivale a la capacidad de todos los
embalses existentes en la isla, lo que
los expertos denominarían un “buen
año pluviométrico”.
La fase experimental 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) (Figura 28.30)
Este proyecto, con un presupuesto
superior a los 2 millones de euros,
fué financiado por la Unión Europea
y participarón en el mismo, además
del CIEA-ITC, lider del proyecto, la
empresa alemana ENERCON, la
Figura 28.30. Parque eólico del proyecto SDAWES
735
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.
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. (Figuras 28.31 y 28.32)
Figura 28.31. Plantas desaladoras del proyecto SDAWES
Figura 28.32. Detalles de las diversas instalaciones del proyecto SDAWES
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.)
En esta fase experimental se confirmarón los resultados teóricos, determinadose la plena viabilidad técnica y económica para desalar agua de mar, con
el solo consurso de la energía eólica, utilizando preferentemente, el sistema
de Osmosis Inversa.
736
737