Plantas de energía solar-combustibles fósiles híbridas con desalinización

La escasez de suministro de agua es una restricción incuestionable en el desarrollo de plantas de generación. Un sistema híbrido formado en una planta térmica solar de concentración y desalinización para producir agua para una planta, integrado con una planta de vapor de ciclo combindo puede ser una solución simple.

. Descripción de la tecnología .

La desalinización es un proceso de tratamiento de agua en el que el agua marina se separa en agua dulce con baja concentración de sólidos disueltos y una salmuera de rechazo con una alta concentración de sólidos disueltos. El dispositivo de desalinización, independientemente del tipo, requiere energía para operar y hacer la separación.

Las dos principales tecnologías comerciales para la desalinización caen en dos tecnologías principales: desalinización térmica y desalinización de membrana. La desalinización térmica utiliza energía en forma de calor para efectuar un cambio de fase del agua de mar (de líquido a vapor) para separar el agua dulce de la salmuera. Los dispositivos de desalinización de membrana usan una bomba para forzar agua a través de una membrana semi-permeable, de nuevo separando el agua dulce de la salmuera. Las membranas de ósmosis inversa son la tecnología más común de desalinización.

Tecnología de desalinización térmica

Los procesos térmicos utilizan energía en forma de vapor o agua caliente, extraído del ciclo de vapor de una planta de potencia o producido por una caldera auxiliar, para vaporizar el agua del mar. El vapor liberado del agua marina vaporizada es condensada y colectada como agua de producto. El agua recuperada de los procesos de desalinización térmica se obtiene en un rango que va del 10 al 50 % del agua del mar entrante, dependiendo de la tecnología seleccionada

Los sistemas de desalinización de evaporización flash multi-etapa (MSF) se han preferido tradicionalmente debido a su coste razonable, buena eficiencia, y larga experiencia. Sin embargo, en los pasados 20 años, la tecnología de destilación multi-efecto ha llegado a ser la opción de desalinización térmica primaria con el desarrollo de nuevos diseños que permitan temperaturas de operación más bajas, minimizan la corrosión y las incrustraciones, e incrementan la eficiencia.

Los sistemas MED están diseñados con etapas del evaporador múltiples, llamados efectos, que evaporan el agua del mar para producir agua desalinizada. Los sistemas MED pueden consrturirse con gran número de efectos arbitrarios, normalmente, en grandes plantas de desalinización el número varía entre 8 y 16 debido a la baja caída de temperatura por efecto.

Tecnología de desalinización de membrana

La tecnología de desalinización de membrana (ver Evolución de la tecnología de membrana de ósmosis inversa) está dominado por sistemas que están diseñados para utilizar membranas RO para agua de mar. El agua se separa haciéndola pasar a través de una membrana semipermeable. Se emplea energía en forma de electricidad para impulsar las bombas que invierten el proceso de ósmosis y fuerzan el agua a través de las membranas. El agua salada se bombea en un recipiente a presión de RO, donde es forzado a presión contra la membrana. Cuando una porción de agua pasa a través de la membrana, el agua de alimentación entrante incrementa el contenido en sal proporcionalmente. Esta parte de concentrado (conocido como salmuera o rechazo) es descargado sin pasar a través de la membrana.

Cuando una porción de agua pasa a través de la membrana, el agua de alimentación restante incrementa su contenido en sal.

Una bomba impulsora de alta presión suministra la presión requerida para forzar el agua a través de SWRO. Esta presión puede ir en un rango que va de 6.9 a 18.6 bares para agua salobre y entre 38 y 83 bares para aplicaciones de agua de mar. Los diseños de membranas de hoy son capaces de quitar sales con muy alta eficiencia - obteniendo hasta el 99.8 % del rechazo de sal.

Conceptos de tecnología solar de concentración

La tecnología solar de concentración la hemos descrito en detalle en varios artículos (ver aquí).

Integración de desalinización y la tecnología solar de concentración

Varios escenarios pueden considerarse para analizar el potencial de integrar plantas de desalinización y plantas CSP. En tres localidades se ha analizado el potencial existente de integración de estas tecnologías (Egipto, Arabia Saudí y California).

El propósito de una planta CSP es generar electricidad, y numerosas configuraciones son posibles. Cuando se compara con la fotovoltaica o la eólica, la tecnología CSP produce mucha más energía cuando se combina con almacenamiento de energía o apoyo de combustibles fósiles.

Una configuración de colectores solares combinado con un sistema MED donde el vapor generado se emplea en una turbina sin condensación y luego se usa en una planta de desalinización. El vapor generado por una planta de colectores se sobrecalienta a unos 380 ºC. La temperatura del vapor para el MED es alrededor de 135 ºC. Por lo tanto, hay suficiente energía en el vapor para producir electricidad antes de que se use en la planta MED. Hay que enfatizar que la producción de agua es el principal objetivo de la planta - la electricidad es un subproducto. Mientras que las plantas de ciclo combinado pueden configurarse de forma similar para desalinización, existe una diferencia fundamental. El combustible de la planta solar es gratis. El diseño no está enfocado a la eficiencia sino a los costes de capital y a la capacidad de los procesos de desalación. En contraste, en las plantas de ciclo combinado la producción debe tener la mayor eficiencia posible ya que es el objetivo último.

El sistema de ósmosis inversa es una alternativa a los procesos de desalinización térmica. En este caso, como en el MED, el vapor generado por la planta solar puede usarse en la turbina de vapor para impulsar las bombas de ósmosis inversa.

Desalinización y almacenaje CSP

Una cuestión clave de las energías renovables es su naturaleza intermitente. Por ello el almacenamiento de energía es muy valioso. La planta de desalinización puede ser utilizada para producir energía en los periodos en los que la producción de la planta CSP es máxima, que suele coincidir con las horas centrales del día.

Bibliografía: Adding deslinatioin to solar hybrid and fossil plants. Power vol. 154 - No. 5 - May 2010

Palabras clave: Multi-stage flash evaporation (MSF) desalination systems, multiple-effect distillation (MED)