Alternativas para la recuperación de energía en el proceso de ósmosis inversa

Escrito por José Luis Marín Delgado

 

 

 

 

El alto consumo energético de los procesos que se usan para la obtención y tratamiento de agua potable es uno de los principales factores que contribuyen al precio final de la misma. Por ello, es necesario buscar alternativas para optimizarlos, mejorando su diseño, para así poder ofrecer agua de calidad a precios asequibles para la población.

Dentro de este reto, encontramos una tecnología específica para la desalinización de agua de mar o corrientes con altas cantidades de sólidos disueltos: la ósmosis inversa. En este proceso, como se puede ver en la figura 1, se hace pasar el agua por una membrana semipermeable, de forma que, al superar la presión osmótica, se consigue la separación de la corriente inicial en dos diferentes: la corriente de agua desmineralizada y un concentrado de agua con todos los sólidos disueltos que había en la corriente original (salmuera).

Figura 1: Esquema básico sistema de ósmosis inversa. Fuente: elaboración propia

Una de las características principales de este proceso es que la corriente de rechazo sale del tratamiento a una alta presión, casi igual que aquella a la que se introduce la alimentación. Esto se debe a que, para romper la presión osmótica, es necesario aplicar gran cantidad de energía (requiriéndose presiones de hasta 60-70 bar en función de la cantidad de sólidos disueltos).

Además, la conversión en los procesos de ósmosis inversa (proporción de caudal de alimentación que se convierte en permeado) no suele superar el 45% por lo que, al finalizar el tratamiento, se obtiene una corriente residual con una gran presión y más de la mitad del caudal inicial, que debe ser desechada rompiendo carga, usando una válvula semiabierta que permite generar la pérdida de presión necesaria. Conscientes de este problema energético, el sector del agua se ha movilizado y creado soluciones para atajar esta situación.

Turbinas

La primera solución que se propuso fue la implementación de turbinas, que permitían aprovechar ese exceso de caudal y energía obteniendo de nuevo energía eléctrica que usar en la planta. Las más usadas han sido las turbinas Francis (reacción) y las turbinas Pelton (acción), de forma que dependiendo del caudal y la presión resultante se emplea un tipo u otro. Con esta alternativa, la energía generada puede ser utilizada directamente en la bomba de alta presión de alimentación a ósmosis como se puede ver en la imagen 1.

Imagen 1: Conjunto de turbina-motor-bomba de alta presión(izda-dcha).

El problema de este tipo de equipos viene dado, principalmente, por dos motivos. El primero, es el material empleado para su fabricación ya que, como se ha comentado anteriormente, el rechazo de la ósmosis está altamente cargado de sólidos disueltos (cloruros y sulfatos, entre otras sales). Esto implica que las turbina deben de ser muy resistentes a la corrosión, optando por materiales aleados como el Superduplex, costoso a nivel económico y difícil de trabajar, haciendo que los tiempos de entrega se dilaten en comparación con materiales convencionales.

El segundo tiene que ver con el rendimiento de las turbinas. Normalmente estos equipos tienen un rendimiento hidráulico del 80-90% por lo que queda un porcentaje restante que se sigue desperdiciando.

Cámaras isobáricas

En los últimos años, la opción más extendida en la industria para la recuperación de energía a partir del rechazo de la ósmosis inversa ha sido el uso de recuperadores de energía isobáricos: equipos en los cual se transmite la presión desde el rechazo al agua de alimentación a la ósmosis.

Figura 2: Diagrama funcionamiento con cámaras isobáricas. Fuente: elaboración propia

El funcionamiento del sistema (ilustrado en la Figura 2) es el siguiente: se divide el agua de alimentación a ósmosis en dos corrientes, de forma que una de ellas (1) pasará por la bomba de alta presión de ósmosis, mientras que una parte igual al caudal de rechazo (2) entrará en cámaras de intercambio de presión isobáricos, donde es enfrentada con la corriente de rechazo (4).

Por tanto, en el equipo de recuperación las corrientes 4 y 2 se “enfrentan” para transmitir la presión, dando como resultante una corriente de agua bruta de alta presión (7) y un rechazo (6) a baja presión (Figura 3).

Figura 3: Detalle funcionamiento cámara isobárica [1]

Como se puede ver en la Figura 2, debido a las pérdidas de presión que se ocasionan en el equipo recuperador, tuberías y a la pérdida de presión transmembrana, es necesario incluir en el sistema una bomba (8) para equilibrar la presión con la de la corriente impulsada por la bomba de alta presión, lo que permite alimentar las membranas a la presión de diseño. Esa bomba es comúnmente conocida como bomba “booster”.

 

Figura 4: Corte cámara isobárica comercial [2], [3]

Al contrario que las turbinas, estos sistemas son capaces de obtener un rendimiento de hasta un 98% de la presión y caudal de rechazo, existiendo una pequeña pérdida de caudal que es utilizado para lubricarse internamente produciendo un incremento de salinidad del agua de entrada debido a la mezcla de corrientes.

Además, están fabricados en materiales cerámicos que les otorgan gran resistencia química y física para soportar los esfuerzos a los que son sometidos. Finalmente, otra de sus ventajas es que no necesitan una fuente de energía (motor) para iniciar el giro y, valiéndose de la presión de entrada del agua para empezar a funcionar.

Por contraposición, mientras que una turbina puede captar todo el caudal proveniente del rechazo, el tamaño y volumen tratado por los recuperadores hace que se tengan que instalar varios en paralelo (formando bastidores de recuperadores; Imagen 2) para poder aprovechar toda el agua proveniente de los bastidores de ósmosis.

Imagen 2: Ejemplo de bastidores de recuperación

Para terminar, no podemos olvidar que, aunque la recuperación de energía está ampliamente instaurada, el mercado está en continuo movimiento, buscando nuevas formas de recuperar energía (mejorando las tecnologías actuales) y desarrollando nuevas soluciones capaces de tratar la salmuera producida para extraer subproductos de valor añadido además del producto principal, el agua desalinizada.

Referencias

[1] Flowserve (6 de octubre 2022). Flowserve FLEX™ Energy Recovery Device: Next-Generation Compact Pressure Exchanger. Youtube.

[2] Flowserve (11 de Marzo 2023). Dispositivos isobáricos. Flowserve.

[3] Energy Recovery Inc (11 de Marzo 2023). Pressure exchanger technology. Energy Recovery.

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